已知使用諧振拓撲結構的降壓轉換器可提供比基于傳統脈沖寬度調制（PWM）或硬開關架構的電源更高的性能。盡管傳統的高密度硬開關穩壓器已經發展成為改進的半導體集成，低導通電阻MOSFET和先進的封裝，但它們的設計已不再足以滿足新的功率需求，這主要是由于其內部的開關損耗。穩壓器MOSFET，隨著開關頻率或輸入電壓的增加而增加。

此外，傳統降壓調節器由于柵極驅動電路內的米勒電荷耗散而表現出更高的柵極驅動損耗。同樣，由于反向恢復和長導通，高端MOSFET的體二極管導通會導致更高的功率損耗（圖1）。因此，必須克服或大幅減少這些損失，以實現調節器性能的任何顯著提升。此外，硬開關拓撲需要相對較大的輸出電感，這會增加穩壓器的尺寸和成本。

圖1：在傳統降壓穩壓器中，硬開關轉換和體二極管反向恢復將高端MOSFET Q1暴露在非常高的導通損耗之下。

零電壓開關的好處另一個更好的選擇是使用零電壓開關（ZVS）等諧振拓撲，這樣可以在更高頻率和更高電壓下工作，而不會犧牲效率和尺寸。基于ZVS的穩壓器也稱為軟開關穩壓器。 ZVS降壓穩壓器拓撲的一些主要優勢包括低導通損耗，理想整流器開關導致的體二極管導通時間可忽略不計，高輸入電壓保持高頻工作，內部補償簡單 - 允許高帶寬，增益和相位裕度 - 以及少量輸出電容的快速瞬態響應。更重要的是，它提供最短20 ns的時間來支持非常高的轉換率，并且由于高效率的偏置系統與脈沖跳躍相結合，可提供出色的輕載效率。

如圖2所示，ZVS設計通過在高端MOSFET導通之前消除高電流體二極管導通來解決傳統穩壓器的高導通損耗，從而使漏極 - 源極電壓達到高電平MOSFET的零點或接近零點，不產生高電流尖峰或損壞振鈴。應用于Q1的ZVS動作在開啟時消除了其米勒效應，允許使用更小的驅動器和更低的柵極驅動。

圖2：軟開關諧振ZVS架構幾乎消除了開關損耗并消除了米勒的電荷效應。

另一方面，實現這種巧妙的拓撲結構以在DC/DC轉換器中獲得功率密度和轉換效率方面的最大結果并非易事。它需要全面的知識和經驗來構建基于諧振拓撲的電源，尤其是ZVS。多年來，Vicor工程師已經獲得并展示了該領域的特殊技能，包括獲得多項專利。

基于ZVS的降壓穩壓器

這一專業技術體現在電源制造商的新系列降壓穩壓器系列PI33xx上。基于ZVS的降壓穩壓器系列屬于該公司的Cool-Power系列，可為負載點（POL）調節提供最大功率密度和高效率。為了將這種高性能DC/DC轉換器封裝在緊湊的表面貼裝封裝中，供應商將專利的ZVS拓撲與優化的功率半導體和無源元件相結合。此外，PCB基板上的布局經過優化，可實現高性能。

這些基于8，10和15 A ZVS的降壓穩壓器具有多種優勢，包括更高的效率，更高的功率密度，以及有效降低更高輸入電壓的能力。 PI33xx系列的其他優點包括快速瞬態響應，使用單線電流共享交錯穩壓器的能力，遙測功能以及寬工作溫度范圍。由于PI33xx系列的成員與控制電路，功率半導體和支持組件高度集成，采用10 x 14 x 2.56 mm LGA系統級封裝（SiP）封裝，因此只需很少的外部元件。

PI3301的典型應用電路如圖3所示。如圖所示，PI33xx系列降壓穩壓器僅需一個外部電感和兩個陶瓷電容，用于輸入和輸出濾波，以形成完整的高性能穩壓器。無需頻率補償，參數設置或增量外部組件。 -40°至125°C的寬工作溫度范圍允許在幾乎任何環境中使用。

圖3：集成的ZVS降壓穩壓器僅需一個外部電感和兩個陶瓷電容即可構成一個完整的高性能負載點穩壓器。

PI33xx降壓調節器可將8至36 V范圍內的輸入電壓轉換為1 V至16 V輸出電壓，輸出電流最高可達15 A，輸出功率可達120 W. PI3301的測量效率性能，如圖4所示，對于高降壓比，峰值性能超過93％。在這種情況下，PI3301用于在高達10 A的電流下將24 V輸入轉換為3.3 V輸出。事實上，曲線顯示ZVS穩壓器可以從中負載到高負載持續提供超過90％的輸出，并且低負荷時超過80％。與ZVS穩壓器相比，高端硬開關常規穩壓器的效率在相同的輸入和輸出電壓下顯著降低，在低負載時進一步顯著下降。當輸入電壓達到36 VIN時，兩種穩壓器之間的性能差距會大大擴大。1傳統硬開關穩壓器的效率下降可歸因于高開關損耗。傳統硬開關穩壓器的退化可歸因于高開關損耗。

圖4：與傳統降壓穩壓器相比，基于ZVS的PI3301表現出更高的效率在24 VIN和3.3 V輸出電壓下。

PI33xx系列穩壓器的工作頻率高達1.5 MHz，通常是傳統高密度穩壓器的三倍，也減小了無源元件的尺寸。此外，它減輕了外部濾波元件的負擔，從而實現對線路和負載瞬態的快速動態響應。

通過使用單線電流共享交錯PI33xx降壓調節器，無需任何額外組件，即可進一步提高供電能力。產品數據表中提供了更多詳細信息。

Vicor最近擴展了其產品組合，推出了針對12 V輸入操作優化的PI34xx系列，在3.3 V輸出和高達15 A輸出電流時提供超過95％的峰值效率。該系列的輸入范圍為8至18 VIN，輸出范圍為1至6.5 V.此系列共有五個成員。

總之，與傳統的硬開關穩壓器相比，基于ZVS的軟開關穩壓器在更高的頻率和輸入電壓下可顯著提高效率，功率密度和瞬態響應，電源設計工程師可以近距離觀察在拓撲和可用部分。