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回归基础：开关频率的重要性

对于需要为板载半导体器件提供稳压电源的系统设计人员而言，开关频率的重要性不言而喻。随着市场不断追求更高性能，CPU、DSP 及其他类似器件的功耗持续攀升。因此，功率密度更高、占板面积更小的稳压器应运而生，这些产品采用了最新的 IC 集成技术、MOSFET 和封装工艺。然而，即便如此，它们仍难以跟上新一代高性能器件快速迭代的步伐。

面对这些压力，提高稳压器的开关频率似乎成了一个颇具吸引力的选择——因为这有助于减小电感、电容和电阻等无源器件的尺寸及占板面积。基于经典硬开关 PWM 稳压器的传统认知认为，频率越高，开关损耗也越大。这是因为在这些拓扑中，稳压器 MOSFET 的每次开关动作都会产生损耗，因此开关频率的升高会直接导致损耗增加。这些效率损失主要源于高边导通损耗、米勒（Miller）栅极电荷损耗以及体二极管导通损耗。更不利的是，传统拓扑在转换或调节较高输入电压时，会进一步放大这些损耗。这些损耗会实际限制传统转换器和稳压器的开关频率。但目前已有解决方案可解决这一难题：采用零电压开关（ZVS）拓扑的器件不会像传统设计那样受开关损耗影响，因此可以在更高频率下工作，从而提升性能并显著减小外部滤波器组件的尺寸。此外，采用 ZVS 的转换器和稳压器还能有效降低 PWM 拓扑中大降压比带来的额外损耗。

与依赖硬开关拓扑的传统稳压器不同，ZVS 采用软开关技术，这正是其效率更高、功率密度表现更优的原因所在。以 PI33xx 系列为例，其工作频率高达 1.5MHz 以上，约为传统高密度稳压器的 2 至 3 倍。更高的工作频率不仅有助于减小无源组件的尺寸，还能降低外部滤波器组件的负担，并实现对线路和负载瞬变的快速动态响应。

图 1 为 ZVS 降压技术的原理图。从电路结构上看，它与传统降压稳压器基本相同，区别仅在于增加了一个跨接在输出电感两端的箝位开关。该开关的作用是利用该电感中储存的能量实现零电压开关。

ZVS 技术有效解决了传统稳压器导通损耗高的问题。它在高边 MOSFET 导通之前先消除大电流体二极管导通，使该 MOSFET 的 D-S 电压降至零或接近零，同时避免产生高电流尖峰和破坏性振铃。施加于 Q1 的 ZVS 动作消除了 Q1 导通时的米勒效应，从而允许使用更小的驱动器，并降低导通时的栅极驱动电压。

通过采用优化的开关拓扑，工程师可以在实现更高输入电压稳压的同时，获得更高的效率和更紧凑的外形尺寸。Vicor在其 PI33xx 系列产品中采用 ZVS 拓扑，开发出一款支持高达 36V 输入电压的高性能降压稳压器，其性能超越了传统硬开关高密度稳压器。其高开关频率使外部输出电感可以做得非常小，整体解决方案尺寸仅为 25 × 21.5 毫米；然而，它可提供高达 120W 的输出功率，峰值效率达 98%。它还可在 10A 负载条件下，将 36 V 输入转换为 1 V 输出，且效率超过 86%。

这一核心 ZVS 技术同样广泛应用于 Vicor 的其他高性能产品中，包括 AC-DC 和 DC-DC 转换器、PRM 升降压稳压器以及 VTM 电流倍增器。