探討零電壓切換與其對穩壓的重要性

由於功率密度 (W/m3) 和 DC 電源電壓位準提升，而且為了提升效率，矽元件的電壓需求也跟著降低，因此降壓 DC-DC 穩壓器的電路設計困難度日益增加。 電源電壓和矽元件所需電壓之間的差異會在穩壓器上造成巨大壓降，進而提高切換損耗，最終導致元件的切換頻率受限。

舉例而言，製程控制系統可能需要 24 至 3.3 V 的穩壓，此差距通常需使用兩個調節級才可涵蓋，因此會增加板佔用空間、成本並造成可靠度問題。 此外，切換頻率受限也是缺點，如此一來工程師不得不在濾波電路上使用更大的磁性元件和其他被動元件，導致方案尺寸變大，並且抵銷功率密度。

零電壓切換 (ZVS) 方案能以更高的輸入電壓和壓降達到折返，加快切換頻率。 此技術，如同所有現有切換式穩壓器一樣，皆採用脈寬調變 (PWM) 架構操作，但具有額外的 PWM 時序獨立相位，因此能達到 ZVS 操作。 ZVS 能讓穩壓器進行「軟切換」，避免傳統 PWM 操作與時序期間往往會發生的切換損耗。

本文將敘述 ZVS 並說明其優勢所在。

硬切換損耗

絕大多數現有非隔離式降壓穩壓器，在啟動和關閉切換期間，穩壓器的整合式金氧半導體場效電晶體 (MOSFET) 開關會同時受到高電流和高電壓的壓力，因此產生高切換損耗。 這些損耗會隨著切換頻率以及輸入電壓而提高，並且會限制最大頻率操作、效率以及功率密度。

MOSFET 在啟動與關閉時，電壓和電流會重疊，此時會產生硬切換。 穩壓器製造商試圖減少重疊，以便將切換損耗降至最低，方法就是提高切換波形中的電流 (di/dt) 和電壓 (dv/dt) 的變化率。 圖 1 和圖 2 顯示出切換損耗發生之處，並顯示實際的切換波形以及用來降低損耗而設計的快速變換電壓。


圖 1：MOSFET 切換時，電壓／電流會重疊，在此期間內穩壓器會產生損耗（資料來源：Infineon Technologies）。


圖 2：製造商提高 dv/dt 以便減少重疊並提升效率（資料來源：Infineon Technologies）。

快速切換的缺點在於會讓穩壓器電路所發出的電磁干擾 (EMI) 增加。

有個方法能降低 EMI 效應又能保有快速切換提升效率的優勢，那就是選擇採用準共振式切換（一種改良式硬切換技術，亦稱為「谷值」切換）的切換式穩壓器。Infineon Technologies 提供多種功率 MOSFET，如 CoolMOS 系列，就可用於準共振返馳式切換穩壓器。

在準共振切換期間，當汲極和源極之間的電壓處於最低（谷值）時，MOSFET 會啟動以降低切換損耗。 這會讓元件以更適當的電壓或電流變換率操作，進而降低 EMI。 準共振切換還有另一個優點，由於切換是在偵測到谷值時而非固定頻率時觸發，因此會產生一定程度的頻率抖動，延展 RF 發射頻譜，進一步降低EMI。

準共振切換也有缺點，會在輕度負載時引發更高損耗，但現代化元件採用頻率箝位電路限制最大工作頻率，因此能排除此問題。 圖 3 顯示出 MOSFET 在谷值切換時的返馳式轉換器準共振切換波形。


圖 3：返馳式轉換器的準共振切換波形（資料來源：Infineon Technologies）。

零電壓的軟切換

準共振切換是提升電壓轉換器效率的良好技術，但若採用完整的軟切換，效率可更進一步提升。 在軟切換期間，電壓會在 MOSFET 啟動或關閉前降至零（不僅是降至最低），因此電壓和電流之間不會有任何重疊，故能降低損耗。 （此技術亦可在電流，而非電壓，達到零時用來切換 MOSFET， 稱之為零電流切換 (ZCS)。） 額外優點在於平滑的切換波形可降低 EMI（圖 4）。


圖 4：軟切換 MOSFET 的電流和電壓波形（資料來源：Infineon Technologies）。

軟切換 (ZVS) 在 MOSFET 導通期間頂多只是傳統 PWM 功率轉換，但多了「諧振」切換轉換。 此技術可視為採用恆定非導通時間控制，變換轉換頻率或導通時間，以便維持輸出電壓穩壓的 PWM 功率。 在指定的一段時間內，此方法類似於採用可調適工作週期的固定頻率轉換。

透過轉換頻率的變換，調整有效的工作週期（導通時間），即可達到輸出電壓穩壓。 在 ZVS 開關非導通時間內，穩壓器的 L-C 電路會諧振，在開關上將電壓從零調高至峰值，並在開關可重新啟動時再次降低至零，進而達到無損耗的 ZVS。 無論工作頻率和輸入電壓為何，MOSFET 的變換損耗皆為零，因此能大幅節省電力，並明顯改善效率（圖 5）。 基於此特質，ZVS 是適用於高頻率、高電壓轉換器設計的優秀技術。¹


圖 5：傳統 PWM 採用固定頻率，但工作週期會改變以達到調節目的，相反地，ZVS 則會改變轉換頻率（進而改變導通時間），以維持輸出電壓（資料來源：Texas Instruments）。

ZVS 還有兩個優點，可降低任何 EMI 的諧波頻譜（集中在切換頻率），並可達到更高的頻率操作，因此能降低並更輕易過濾雜訊，也能使用更小型的濾波元件。

但有個缺點就是，無法保證（特別是在高頻率下）MOSFET 可在關閉前完全耗散能量。 長期來說，「儲存」的能量會導致元件故障，特別是在快速切換穩壓器上。 電源模組製造商已經克服此問題，在開關上添加並聯的快速主體二極體，確保電晶體上的所有能量都可清空（圖 6）² 。


圖 6：ZVS 拓撲一般會含有並聯的快速主體二極體並搭配MOSFET，確保電晶體的所有能量都清空（資料來源：Infineon Technologies）。

零電壓切換動作

圖 7 顯示 ZVS 降壓拓撲的運作機制。 此電路與傳統降壓穩壓器幾乎相同，但具有額外的箝位開關連接輸出電感。 增添此開關的用意在於運用儲存在輸出電感內的能量，藉此達到 ZVS 功能。


圖 7：ZVS 降壓拓撲（資料來源：Vicor）。

ZVS 降壓轉換器具有三種主要的操作狀態： 分別為 Q1 開啟階段、Q2 開啟階段以及箝位階段。 Q1 會在零電流以及汲極對源極電壓接近零時啟動。 MOSFET 的電流上升以及峰值電流的輸出電感，係由 Q1 的導通時間、電感的電壓以及電感值所決定。 在 Q1 開啟階段中，能量會儲存在輸出電感中，電荷會提供至輸出電容。 在 Q1 開啟階段中，Q1 的功率耗散主要係由 MOSFET 的導通電阻決定，切換損耗的影響可忽略。

接著，Q1 會快速關閉，然後進入非常短暫的主體二極體導通時間（增加可忽略的功率耗散）。 在電流換相至主體二極體時，Q1 會受到與峰值電感電流成正比的關閉損耗。 接著，Q2 會開啟，輸出電感儲存的能量會傳送到負載和輸出電容。 電感電流達到零時，同步 MOSFET Q2 會保持足夠的開啟時間，以便將來自輸出電容的一些能量儲存到輸出電感中。

在控制器判定電感中存有足夠的能量後，同步 MOSFET 會關閉，而箝位開關會開啟，將 VS 節點接至 VOUT。 箝位開關會隔離來自輸出端的輸出電感電流，同時以幾乎無損耗的方式像電流般循環儲存能量。 在（超小）箝位階段期間，輸出端會由輸出電容供應。

箝位階段結束後，箝位開關會開啟。 儲存在輸出電感中的能量會隨著並聯的 Q1 和 Q2 輸出電容值組合諧振，導致 VS 節點朝 V_IN 振鈴。 此振鈴會釋放 Q1 的輸出電容值，縮小 Q1 的閘極對汲極（米勒）電荷，並且對 Q2 的輸出電容值充電。 這會讓 Q1 在 VS 節點幾乎等同 V_IN 時，以無損耗的方式開啟。³

採用 ZVS 的電源模組

Vicor 是率先採用 ZVS 拓撲的公司。 該公司已經制定白皮書，說明 ZVS 在非隔離式負載點 (POL) 降壓穩壓器應用中的運作方式。

Vicor 的 Cool-Power ZVS 降壓穩壓器形成一系列高密度、隔離式 DC-DC ZVS 轉換器模組，整合了控制器、電源開關、平面磁鐵以及支援元件，採用高密度的表面黏著式封裝。

這些電源模組提供三種輸入電壓範圍：用於通訊應用的 48 V、耐用型高溫應用的 28 V，以及工業應用的 24 V。 這些模組搭載多種可編程功能，包括輸出電壓微調以及可編程軟啟動能力（圖 8）。


圖 8：Vicor 的 Cool-Power ZVS 降壓穩壓器組成一系列高密度、隔離式 DC-DC ZVS 轉換器模組。

該公司宣稱，其 ZVS 產品相較於競品，效率提升達 12%（圖 9）。


圖 9：Vicor 的 Picor PI13312 ZVS 拓撲與競品的效率曲線比較圖。

其他製造商亦提供可用於全橋轉換器 ZVS 控制機制的模組化控制器。 舉例而言，Linear Technology 就有針對此用途提供 LTC3722 產品。 此移相 PWM 控制器提供實作高效率 ZVS 全橋功率轉換器所需的所有控制和防護功能。 調適性 ZVS 電路會延遲各個 MOSFET 的啟動訊號，不受內部和外部元件容差的影響。 此晶片可當作穩壓器的基礎，具有高達 93% 的效率。

Texas Instruments (TI) 亦針對 ZVS 穩壓提供 UCC28950 DC-DC 切換控制器。 此控制器可透過主動控制同步整流器輸出級，達到全橋轉換器的監控。 一次側訊號允許可編程延遲，確保 ZVS 在寬廣的負載電流和輸入電壓範圍內正常操作，同時負載電流會調節二次側同步整流器切換延遲，發揮最大系統效率。

提升能量密度

由於穩壓器 MOSFET 的切換損耗會阻礙效能，因此高密度穩壓器需努力符合現代化電子系統的需求。 ZVS 可因應這些損耗，並可運用到絕大多數的功率轉換設計，但其最大優勢只有在高電壓輸入下才可發揮。 比起 PWM 控制的方案，高電壓、半橋和全橋 ZVS 應用，可達到明顯的效率提升效果。

此外，由於 ZVS 技術沒有暫態過壓，而且施加到初級開關的逆向電壓會限制在峰值輸入電壓內，因此能使用較低電壓額定值的開關。 如此一來，工程人員即可自由選用具有優異特性的元件，例如較低導通損耗、較低驅動電流以及較高能量密度等。

若要進一步瞭解此文章所述之零件，請使用本文所示之連結進入 DigiKey 網站的產品資訊頁面。

參考資料：

1. “Zero Voltage Switching Resonant Power Conversion,” Bill Andreycak, Texas Instruments, 1999.
2. “CoolMOS™ Benefits in both Hard and Soft Switching SMPS topologies,” Infineon Technologies, November 2011.
3. “High-Performance ZVS Buck Regulator Removes Barriers to Increased Power Throughput in Wide Input Range Point-Of-Load Applications,” C. R. Swartz, Vicor, August 2012.