最近，為了降低無源元件的尺寸并獲得快速動態(tài)響應,，驅(qū)動頻率已被提高至MHz的數(shù)量級,。但驅(qū)動頻率越高，開關(guān)損耗就越大,。隨著開關(guān)頻率不斷增加,，MOSFET的開關(guān)損耗將超過導通損耗。特別是由于功率器件是在最高電壓電流條件下關(guān)斷的,，因此,，升壓轉(zhuǎn)換器的關(guān)斷開關(guān)損耗要大于導通開關(guān)損耗。本文將介紹一種簡單的能夠降低或消除升壓轉(zhuǎn)換器開關(guān)損耗的LC諧振網(wǎng)絡(luò),，并詳細分析其工作模式,。

　　引言

　　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)延長電池壽命的熱門話題,。在升壓轉(zhuǎn)換器或步進轉(zhuǎn)換器中,，主要的開關(guān)損耗是在功率開關(guān)關(guān)斷時產(chǎn)生的，因為此時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從零電流開始的一個軟啟動電流來導通。由于功率器件在高電壓零電流時導通,，所以它的開關(guān)損耗非常小,，可以忽略不計。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)斷時達到最大,。因此，在DCM中,，關(guān)斷損耗比導通損耗大,。不過，導通損耗是在連續(xù)電流模式（CCM）下產(chǎn)生的,，但其關(guān)斷損耗仍然大于導通開關(guān)損耗,。本文所介紹的LC諧振電路，可降低或消除關(guān)斷開關(guān)損耗,。

　　諧振電路的詳細描述

　　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所示實現(xiàn),。

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　　圖1顯示了無損耗LC諧振網(wǎng)絡(luò)的不同應用實例,。本文中,，如圖2所示，LC諧振網(wǎng)絡(luò)被用于升壓轉(zhuǎn)換器,。為簡化模式分析,，假設(shè)功率器件和所有無源元件都是理想的。圖3顯示了帶有LC諧振網(wǎng)絡(luò)的升壓轉(zhuǎn)換器在各個時段的工作模式,。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,，主開關(guān)Q是關(guān)斷的。電感電流iL（t）具有負斜率,，通過電感L和輸出二極管Do流向負載,，如圖3（a）所示。電壓V_Cr由一個正電平充電,，并具有和輸出電壓Vo 相同的幅值,，見圖3（a）。

　　模式1（t₁≤t < t₂）：在t = t₁時,，Q導通,。電感L_r和電容C_r啟動諧振，諧振頻率及其周期T_r可計算如下：

（1）

  （2）

　　由于諧振阻抗Z_r=√（C_r/L_r）,，故諧振峰值電流I_rpk為：

（3）

　　模式2（t₂≤t < t₃）：一旦Q導通,，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V_Cr 變得比DC輸入電壓更高,，則D1導通。因此,，在Q導通時（如圖3（c）和圖4所示）,，通過輸入電壓，V_Cr 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,。電感電流峰值可計算如下：

（4）

　　這里,，I_in是輸入平均電流，T_s是開關(guān)周期,，D是占空比,，定義為D  （t₃ - t₁）/ T_s,。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Q關(guān)斷時，電感電流直接從MOSFET轉(zhuǎn)到Cr,。負載電流由輸出濾波器提供,，輸入電壓源沒有電流流出。因此,，利用一個恒定諧振電流,，Cr電壓從-V_in變?yōu)?V_o，如圖4所示,。在這種條件下,，MOSFET漏源電壓V_ds具有一個斜率，因為它通過諧振電流I_pk從-V_in充電到+V_o,。周期T_d = t_{4 - t3}之間的時間,，可由下式求得：

（5）

　　故此，MOSFET漏極電壓正慢慢增加,，同時其電流立即從MOSFET轉(zhuǎn)向到電容C_r,，從而有效地降低關(guān)斷損耗。如圖3（h）所示,，若電容電壓V_Cr超過輸出電壓幅值,，那么D2會變?yōu)檎蚱茫珻_r經(jīng)由D2-L_r-D_o和輸出電路相連接,。這樣一來,，當Q關(guān)斷時，如圖4所示,，通過輸出電壓V_o,，Vc_r得到很好的箝位。

　　實驗結(jié)果

　　圖5是用具有1.6MHz開關(guān)頻率的FAN5331實現(xiàn)的LC諧振升壓轉(zhuǎn)換器,。如圖所示,，LC諧振相關(guān)值有C_r = 53pF、L_r = 4.5mH,、L = 10mH,。因此，由式（1）可求得諧振周期為Tr=48.5ns,。典型的輸入電壓為5.0V,，輸出電壓設(shè)置為15.0V，負載電流為50mA。由開關(guān)頻率可求得開關(guān)周期Ts = 0.625ms,，輸入輸出轉(zhuǎn)換占空比D = 0.67,、T_on = 420ns及T_off = 205ns。

　　由式（3）可知,，諧振電流峰值Irpk=51.4mA,，但實驗結(jié)果卻為40mA。當Vo=Vin=5.0V,、Po=750mW時,，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Q導通時,，諧振周期開 始。圖7顯示了Q導通或關(guān)斷時的SOA安全工作區(qū)域曲線,。正如預料，當Q關(guān)斷時,，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波形如圖8所示。實驗結(jié)果顯示,，利用無損LC諧振網(wǎng)絡(luò),，開關(guān)損耗得以有效降低。

　　諧振網(wǎng)絡(luò)中諧振電感電流的實驗結(jié)果如圖9所示,。諧振周期Tr 測量值大約為50ns,，與Cr=53pF、Lr=4.5mH時根據(jù)式（1）計算的結(jié)果一致,。

　　圖10顯示了無損耗諧振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比較了帶有和沒有諧振LC電路的傳統(tǒng)升壓轉(zhuǎn)換器的效率,，由圖可見，效率有顯著提高,，尤其是當DC輸入電壓較低時,。

　　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，給出了詳細模式分析和設(shè)計指引,。實驗結(jié)果顯示,，這種LC諧振電路工作良好，可用于超便攜式應用以延長電池壽命。