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 回歸基礎：切換頻率的重要性

對於需要為板載半導體器件提供穩壓電源的系統設計人員而言，切換頻率的重要性不言而喻。 隨著市場不斷追求更高效能，CPU、DSP 及其他類似器件的功耗持續攀升。 因此，功率密度更高、占板面積更小的穩壓器應運而生，這些產品採用了最新的 IC 集成技術、MOSFET 和封裝工藝。 然而，即便如此，它們仍難以跟上新一代高性能器件快速反覆運算的步伐。

面對這些壓力，提高穩壓器的切換頻率似乎成了一個頗具吸引力的選擇——因為這有助於减小電感、電容和電阻等無源器件的尺寸及占板面積。 基於經典硬切換 PWM 穩壓器的傳統認知認為，頻率越高，開關損耗也越大。 這是因為在這些拓撲中，穩壓器 MOSFET 的每次切換動作都會產生損耗，因此切換頻率的升高會直接導致損耗新增。 這些效率損失主要源於高邊導通損耗、米勒（Miller）柵極電荷損耗以及體二極體導通損耗。 更不利的是，傳統拓撲在轉換或調節較高輸入電壓時，會進一步放大這些損耗。 這些損耗會實際限制傳統轉換器和穩壓器的切換頻率。 但現時已有解決方案可解决這一難題：採用零電壓切換（ZVS）拓撲的器件不會像傳統設計那樣受切換損耗影響，因此可以在更高頻率下工作，從而提升效能並顯著减小外部濾波器組件的尺寸。 此外，採用 ZVS 的轉換器和穩壓器還能有效降低 PWM 拓撲中大降壓比帶來的額外損耗。

與依賴硬切換拓撲的傳統穩壓器不同，ZVS 採用軟切換技術，這正是其效率更高、功率密度表現更優的原因所在。 以 PI33xx 系列為例，其工作頻率高達 1.5MHz 以上，約為傳統高密度穩壓器的 2 至 3 倍。 更高的工作頻率不僅有助於减小無源組件的尺寸，還能降低外部濾波器組件的負擔，並實現對線路和負載瞬變的快速動態響應。

圖 1 為 ZVS 降壓技術的原理圖。 從電路結構上看，它與傳統降壓穩壓器基本相同，區別僅在於新增了一個跨接在輸出電感兩端的箝位切換。 該開關的作用是利用該電感中儲存的能量實現零電壓切換。

ZVS 技術有效解決了傳統穩壓器導通損耗高的問題。 它在高邊 MOSFET 導通之前先消除大電流體二極體導通，使該 MOSFET 的 D-S 電壓降至零或接近零，同時避免產生高電流尖峰和破壞性振鈴。 施加於 Q1 的 ZVS 動作消除了 Q1 導通時的米勒效應，從而允許使用更小的驅動器，並降低導通時的柵極驅動電壓。

通過採用優化的切換拓撲，工程師可以在實現更高輸入電壓穩壓的同時，獲得更高的效率和更緊湊的外形尺寸。 Vicor 在其 PI33xx 系列產品中採用ZVS 拓撲，開發出一款支持高達 36V 輸入電壓的高性能降壓穩壓器，其效能超越了傳統硬開關高密度穩壓器。 其高切換頻率使外部輸出電感可以做得非常小，整體解決方案尺寸僅為 25×21.5 毫米；然而，它可提供高達 120W 的輸出功率，峰值效率達 98%。 它還可在 10A 負載條件下，將 36V 輸入轉換為 1V 輸出，且效率超過 86%。

這一核心 ZVS 技術同樣廣泛應用於 Vicor 的其他高性能產品中，包括 AC-DC 和 DC-DC 轉換器、PRM 升降壓穩壓器以及 VTM 電流倍增器。