【導(dǎo)讀】最近，為了降低無(wú)源元件的尺寸并獲得快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)，驅(qū)動(dòng)頻率已被提高至MHz的數(shù)量級(jí)。但驅(qū)動(dòng)頻率越高，開(kāi)關(guān)損耗就越大。隨著開(kāi)關(guān)頻率不斷增加，MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗將超過(guò)導(dǎo)通損耗。本文將介紹一種簡(jiǎn)單的能夠降低或消除升壓轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)損耗的LC諧振網(wǎng)絡(luò)，并詳細(xì)分析其工作模式。
在便攜式產(chǎn)品的各種DC/DC轉(zhuǎn)換器中，效率已逐漸成為有關(guān)延長(zhǎng)電池壽命的熱門(mén)話題。在升壓轉(zhuǎn)換器或步進(jìn)轉(zhuǎn)換器中，主要的開(kāi)關(guān)損耗是在功率開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的，因?yàn)榇藭r(shí)仍處于最大的電壓電流轉(zhuǎn)換條件。在非連續(xù)性電流模式（DCM）中，升壓轉(zhuǎn)換器的主要功率器件通過(guò)從零電流開(kāi)始的一個(gè)軟啟動(dòng)電流來(lái)導(dǎo)通。由于功率器件在高電壓零電流時(shí)導(dǎo)通，所以它的開(kāi)關(guān)損耗非常小，可以忽略不計(jì)。鑒于電感電流的正斜率，其流入功率器件的電流在器件關(guān)斷時(shí)達(dá)到最大。因此，在DCM中，關(guān)斷損耗比導(dǎo)通損耗大。不過(guò)，導(dǎo)通損耗是在連續(xù)電流模式（CCM）下產(chǎn)生的，但其關(guān)斷損耗仍然大于導(dǎo)通開(kāi)關(guān)損耗。本文所介紹的LC諧振電路，可降低或消除關(guān)斷開(kāi)關(guān)損耗。
諧振電路的詳細(xì)描述
在升壓、降壓或升/降壓轉(zhuǎn)換器中，LC諧振網(wǎng)絡(luò)可按圖1所示實(shí)現(xiàn)。
(a)帶有無(wú)損耗LC網(wǎng)絡(luò)的升壓轉(zhuǎn)換器
(b)帶有無(wú)損耗LC網(wǎng)絡(luò)的降壓轉(zhuǎn)換器
(c)帶有LC網(wǎng)絡(luò)的升/降壓轉(zhuǎn)換器
圖1：帶有無(wú)損耗LC網(wǎng)絡(luò)的不同應(yīng)用
圖1顯示了無(wú)損耗LC諧振網(wǎng)絡(luò)的不同應(yīng)用實(shí)例。本文中，如圖2所示，LC諧振網(wǎng)絡(luò)被用于升壓轉(zhuǎn)換器。為簡(jiǎn)化模式分析，假設(shè)功率器件和所有無(wú)源元件都是理想的。圖3顯示了帶有LC諧振網(wǎng)絡(luò)的升壓轉(zhuǎn)換器在各個(gè)時(shí)段的工作模式。本文提出的具有附加諧振網(wǎng)絡(luò)的升壓轉(zhuǎn)換器，它的工作可分為三種模式。首先，主開(kāi)關(guān)Q是關(guān)斷的。電感電流iL（t）具有負(fù)斜率，通過(guò)電感L和輸出二極管Do流向負(fù)載，如圖3（a）所示。電壓VCr由一個(gè)正電平充電，并具有和輸出電壓Vo 相同的幅值，見(jiàn)圖3（a）。
圖2：帶有LC諧振電路的升壓轉(zhuǎn)換器
圖3：升壓轉(zhuǎn)換器中LC諧振電路的工作原理
模式1（t1≤t < t2）：在t = t1時(shí)，Q導(dǎo)通。電感Lr和電容Cr啟動(dòng)諧振，諧振頻率及其周期Tr可計(jì)算如下：
（1）
（2）
由于諧振阻抗Zr=√（Cr/Lr），故諧振峰值電流Irpk為：
（3）
模式2（t2≤t < t3）：一旦Q導(dǎo)通，諧振電流就迭加到MOSFET的漏極電流上。在非連續(xù)電流模式（DCM）中，漏極電流從零開(kāi)始。由于Lr和Cr產(chǎn)生的諧振，使得Cr 的電壓極性改變。如果電壓VCr 變得比DC輸入電壓更高，則D1導(dǎo)通。因此，在Q導(dǎo)通時(shí)（如圖3（c）和圖4所示），通過(guò)輸入電壓，VCr 被很好地箝位。在諧振周期Tr 之后，電感電流具有正斜率，并與圖3（e）所示的典型升壓轉(zhuǎn)換器的波形相同。電感電流峰值可計(jì)算如下：
（4）
這里，Iin是輸入平均電流，Ts是開(kāi)關(guān)周期，D是占空比，定義為D （t3 - t1）/ Ts。若Q關(guān)斷，這種模式即結(jié)束。
模式3（t3 ≤t < t4）：如圖3所示，當(dāng)Q關(guān)斷時(shí)，電感電流直接從MOSFET轉(zhuǎn)到Cr。負(fù)載電流由輸出濾波器提供，輸入電壓源沒(méi)有電流流出。因此，利用一個(gè)恒定諧振電流，Cr電壓從-Vin變?yōu)?Vo，如圖4所示。在這種條件下，MOSFET漏源電壓Vds具有一個(gè)斜率，因?yàn)樗ㄟ^(guò)諧振電流Ipk從-Vin充電到+Vo。周期Td = t4 - t3之間的時(shí)間，可由下式求得：
（5）
故此，MOSFET漏極電壓正慢慢增加，同時(shí)其電流立即從MOSFET轉(zhuǎn)向到電容Cr，從而有效地降低關(guān)斷損耗。如圖3（h）所示，若電容電壓VCr超過(guò)輸出電壓幅值，那么D2會(huì)變?yōu)檎蚱茫珻r經(jīng)由D2-Lr-Do和輸出電路相連接。這樣一來(lái)，當(dāng)Q關(guān)斷時(shí)，如圖4所示，通過(guò)輸出電壓Vo，Vcr得到很好的箝位。
圖4：LC諧振升壓轉(zhuǎn)換器的工作模式和主要波形
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實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖5是用具有1.6MHz開(kāi)關(guān)頻率的FAN5331實(shí)現(xiàn)的LC諧振升壓轉(zhuǎn)換器。如圖所示，LC諧振相關(guān)值有Cr = 53pF、Lr = 4.5mH、L = 10mH。因此，由式（1）可求得諧振周期為T(mén)r=48.5ns。典型的輸入電壓為5.0V，輸出電壓設(shè)置為15.0V，負(fù)載電流為50mA。由開(kāi)關(guān)頻率可求得開(kāi)關(guān)周期Ts = 0.625ms，輸入輸出轉(zhuǎn)換占空比D = 0.67、Ton = 420ns及Toff = 205ns。
圖5：FAN5331實(shí)現(xiàn)的LC諧振升壓轉(zhuǎn)換器
由式（3）可知，諧振電流峰值Irpk=51.4mA，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻為40mA。當(dāng)Vo=Vin=5.0V、Po=750mW時(shí)，平均輸入電流Iin為176mA、Pin=880mW。故由式（4）可算出峰值電感電流Ipk=280mA。
圖6顯示了帶有和沒(méi)有諧振LC網(wǎng)絡(luò)的傳統(tǒng)升壓轉(zhuǎn)換器的比較結(jié)果。如前關(guān)于工作模式中所闡述的，當(dāng)Q導(dǎo)通時(shí)，諧振周期開(kāi) 始。圖7顯示了Q導(dǎo)通或關(guān)斷時(shí)的SOA安全工作區(qū)域曲線。正如預(yù)料，當(dāng)Q關(guān)斷時(shí)，傳統(tǒng)升壓轉(zhuǎn)換器的漏極橫截面上的電流電壓要高得多。漏極橫截面上電壓電流的詳細(xì)波形如圖8所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，利用無(wú)損LC諧振網(wǎng)絡(luò)，開(kāi)關(guān)損耗得以有效降低。
圖6：帶有和沒(méi)有諧振LC網(wǎng)絡(luò)的傳統(tǒng)升壓轉(zhuǎn)換器的比較結(jié)果
圖7：Q導(dǎo)通或關(guān)斷時(shí)的SOA安全工作區(qū)域曲線
圖8：漏極橫截面上電壓電流的詳細(xì)波形
諧振網(wǎng)絡(luò)中諧振電感電流的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。諧振周期Tr 測(cè)量值大約為50ns，與Cr=53pF、Lr=4.5mH時(shí)根據(jù)式（1）計(jì)算的結(jié)果一致。
圖9：諧振網(wǎng)絡(luò)中諧振電感電流的實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖10顯示了無(wú)損耗諧振LC網(wǎng)絡(luò)的SOA曲線。比較圖7和圖10可看出，帶有LC諧振網(wǎng)絡(luò)的升壓轉(zhuǎn)換器的SOA比典型的沒(méi)有LC諧振網(wǎng)絡(luò)的升壓轉(zhuǎn)換器更好。圖11比較了帶有和沒(méi)有諧振LC電路的傳統(tǒng)升壓轉(zhuǎn)換器的效率，由圖可見(jiàn)，效率有顯著提高，尤其是當(dāng)DC輸入電壓較低時(shí)。
圖10：無(wú)損耗諧振LC網(wǎng)絡(luò)的SOA曲線
圖11：帶有和沒(méi)有諧振LC電路的傳統(tǒng)升壓轉(zhuǎn)換器的效率
本文介紹了一種可獲得更高效率的LC諧振升壓轉(zhuǎn)換器電路，給出了詳細(xì)模式分析和設(shè)計(jì)指引。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，這種LC諧振電路工作良好，可用于超便攜式應(yīng)用以延長(zhǎng)電池壽命。
