新型功率系統(tǒng)級封裝隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器

　　PI3101的核心是具有專利的雙鉗位零電壓開關(guān)功率級拓撲，工作在斷續(xù)模式，操作頻率超過1MHz。圖2是PI3101 的拓撲圖，用來解釋其基本工作原理。

　　PI3101使用了四個原邊MOSFET和一個同步MOSFET，共同組成了功率傳輸?shù)淖酉到y(tǒng)。 Q1和Q4是功率開關(guān)管，Q2和Q5是鉗位開關(guān)管，Q3是同步MOSFET。此拓撲的功率循環(huán)有6個顯著階段，此循環(huán)以前一循環(huán)的結(jié)束為開始，如圖3所示。

　　1.鉗位階段到 T1的轉(zhuǎn)換

　　Q2與Q4開通，Q5與Q1關(guān)斷。連接到Q5漏極的鉗位電容被充電至大小為Vout*(Np/Ns)的反射電壓。如果變壓器磁芯已經(jīng)復位，那么最小周期定時器使Q2關(guān)斷。如果需要額外的復位時間，最小周期將延長至磁芯完成復位。只要Q2與Q4全部開通，就會有鉗位電流，Q2關(guān)斷后將轉(zhuǎn)化為勵磁電流，同時原邊繞組上產(chǎn)生伏—秒。必須有持續(xù)的勵磁電流，因此VS1節(jié)點隨著Q2的D-S電容充電和Q1的電容放電而升高到Vin。隨著VS1的上升，專用控制器激活原邊的伏—秒監(jiān)控。

　　2.T1的功率儲能階段

　　Q1零電壓開通，并且變壓器的原邊電流斜坡上升，變壓器儲存的能量由內(nèi)部誤差放大器決定，是負載電流和線電壓的函數(shù)。在這個過程，Q1與Q4全部開通。專用控制器開始監(jiān)控原邊的伏—秒。

　　3.向T3階段的轉(zhuǎn)換

　　Q1與Q4快速關(guān)斷。專用驅(qū)動器和MOSFET使此轉(zhuǎn)換為無損轉(zhuǎn)換。VS1的下降和VS2的上升都非常快，然后進入原邊至副邊的功率傳輸階段。此時所有的開關(guān)都是關(guān)斷狀態(tài)。

　　4.功率傳輸階段

　　Q2和Q5開通后，同步MOSFET Q3開通。變壓器電感、鉗位電容以及專用智能門極驅(qū)動形成了諧振電路，Q3在最佳點以無損方式開通(和關(guān)斷)。隨著變壓器中儲存的能量釋放到負載和輸出電容，副邊電流斜坡上升。

　　5.鉗位階段的轉(zhuǎn)換

　　T3結(jié)束時能量已傳遞到負載，驅(qū)動器關(guān)斷Q3。主控制器監(jiān)控原邊伏—秒，并確定變壓器復位何時完成，然后關(guān)段Q5。VS2下降允許零電壓開通Q4。

　　6.鉗位階段

　　Q2和Q4再次開通。此時輸出電壓由具有專利的采樣反饋接口進行監(jiān)測，并由PI3101控制電路進行處理。最小周期定時器結(jié)束后，啟動下一個循環(huán)。鉗位階段保持的能量用于VS1節(jié)點的零電壓開通。

　　與其它轉(zhuǎn)換器相比

　　不難就相對尺寸、功率密度、效率和瞬態(tài)響應來對隔離電源轉(zhuǎn)換器的品質(zhì)因數(shù)進行直接比較。真正的困難在于找到另一隔離電源產(chǎn)品來與PI3101進行比較。由于PI3101是目前市場上這個級別的首款產(chǎn)品，我們自然試圖將它與之前有的產(chǎn)品進行比較，而不考慮尺寸差異。為了滿足這種天生的好奇心，表1比較了兩款當前商用1/16磚的其它電源轉(zhuǎn)換器。這兩款轉(zhuǎn)換器稱為轉(zhuǎn)換器X 和轉(zhuǎn)換器Y。應該注意到轉(zhuǎn)換器Y代表業(yè)界最好的1/16磚，而轉(zhuǎn)換器X代表現(xiàn)有轉(zhuǎn)換器的平均水平。表1列出一些標準技術(shù)規(guī)格，并與PI3101進行了對比。

　　由表1明顯地看到，PI3101與其兩倍尺寸大小的轉(zhuǎn)換器相比仍具有競爭力。PI3101的滿載效率同X轉(zhuǎn)換器的滿載效率相等，但在功率密度上卻有顯著提高。PI3101的功率密度比業(yè)界1/16磚最大功率的功率密度高兩倍以上，是平均功率密度的3.5倍。實際上，如果轉(zhuǎn)換器Y的功率密度同PI3101的功率密度相等，那么在相同的封裝內(nèi)它可產(chǎn)生將近180W的輸出功率，但由于商用方案固有技術(shù)的限制，最高功率密度也受到制約。為滿足1/16磚的典型需求，PI3101應該能夠滿足平均負載、瞬態(tài)響應、輸出精度的要求，并具有相似的效率。表1顯示的數(shù)據(jù)表明，PI3101滿足了這一條件的同時封裝尺寸減少一半，是尺寸敏感應用的理想選擇。