AEE提升了低輸出電壓降壓轉(zhuǎn)換器的效率

一款名為自動效率增強 (AEE) 的全新電源轉(zhuǎn)換方法，可以以較低的輸出電壓提高平板電腦、服務(wù)器和固態(tài)硬盤等系統(tǒng)的電源效率。

每個電源設(shè)計人員面臨的一個常見挑戰(zhàn)就是用具有較低輸出電壓的降壓轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)高效率。例如，一個 3.3V輸出電壓電源在滿負(fù)載情況下的效率可以達到91%，而1.8V版本的電源滿負(fù)載情況下的效率只有84%。這個效率的下降產(chǎn)生了比其它方式更高的運行溫度。而對于便攜式系統(tǒng)來說，這浪費了過多的電池電量。對于包含了這些電源的平板電腦、服務(wù)器，或者固態(tài)硬盤 (SSD) 的用戶來說，過熱的運行溫度或者較短的電池續(xù)航時間顯然是無法接受的。

需要一款全新的電源轉(zhuǎn)換方法在任何的輸出電壓下都保持高效率。作為此類方法中的一個，自動效率增強 (AEE) 在這種類型的系統(tǒng)中，以較低的輸出電壓提供較高效率。

效率為什么會下降?

較低輸出電壓情況下的效率下降與輸出功率的減少量直接相關(guān)，而此時的功率損耗并沒有相應(yīng)地減少。在一個降壓轉(zhuǎn)換器中，損耗被分為開關(guān)損耗與傳導(dǎo)損耗。開關(guān)損耗大多數(shù)情況下取決于輸入電壓、輸出電流，以及開關(guān)頻率。傳導(dǎo)損耗則與輸出電流和MOSFET電阻有關(guān)。由于輸出電壓并不是損耗量多少的主要決定因素，損耗的減少量要低于輸出功率的減少量。

較低的輸出電壓意味著更少的輸出功率，而輸出功率為輸出電流乘以輸出電壓。由于效率被定義為輸出功率除以輸出功率與損耗的和，較低的效率是由較低的輸出功率造成的—不過此時的損耗相同。

例如，提供6A輸出電流、功率損耗2W的3.3V輸出電壓電源產(chǎn)生的效率達到91%。同樣配置為 1.8V輸出電壓的電源產(chǎn)生的損耗同樣為2W。由于輸出功率減少了，所以這個電源的效率為84%。當(dāng)配置為0.9V輸出時，2W的損耗只產(chǎn)生73%的效率。由于開關(guān)頻率、MOSFET電阻、輸出電流，以及輸入電壓在這個比較中保持恒定，所以損耗大致相同，而效率分別下降了7%和18%。

兩個效率更高的解決方案

輸入電壓和輸出電流由系統(tǒng)和負(fù)載確定;因此，它們是不能輕易改變的。電源設(shè)計人員需要降低開關(guān)頻率，或者是調(diào)節(jié)MOSFET電阻，以便在較低的輸出電壓情況下獲得更高效率。

通常情況下，由于目前大多數(shù)的降壓轉(zhuǎn)換器內(nèi)部都集成了高側(cè)和低側(cè)MOSFET，電源設(shè)計人員不太可能調(diào)節(jié)電阻值。雖然有可能使用多個降壓轉(zhuǎn)換器集成電路 (IC) —每一個都針對特定的輸出電壓進行優(yōu)化—而這對于IC設(shè)計來說通常不太現(xiàn)實。因此，市面上通常沒有此類器件。它還在物料清單 (BOM) 中產(chǎn)生了更多的IC，這也使系統(tǒng)設(shè)計變得復(fù)雜。

降低開關(guān)頻率可減少開關(guān)損耗并增加效率。在很多集成降壓轉(zhuǎn)換器中，有可能對頻率進行調(diào)節(jié)。然而，調(diào)節(jié)開關(guān)頻率通常需要重新計算輸出濾波器和環(huán)路補償電路。這就需要更多的設(shè)計工作和時間，對于系統(tǒng)中的不同輸出電壓電路，有可能需要不同的組件。而這樣做也同樣會增加BOM數(shù)量。

用AEE對開關(guān)頻率進行智能調(diào)節(jié)

在不需要設(shè)計人員干預(yù)的情況下，AEE在使用同樣的輸出濾波器和環(huán)路補償?shù)那闆r下，通過調(diào)節(jié)開關(guān)頻率來提高效率。根據(jù)輸入電壓與輸出電壓，對開關(guān)頻率進行自動調(diào)節(jié)，在保持控制環(huán)路穩(wěn)定性和輸出濾波器有效性的同時，盡可能地提高效率。無需將頻率設(shè)定在一個只針對特定運行條件而進行優(yōu)化的運行點上;運行期間，它對自身進行動態(tài)調(diào)節(jié)。圖1顯示的是針對3.3、1.8、0.9V輸出電壓電路的開關(guān)頻率，這些電路的負(fù)載電流為6A，輸入電壓范圍在6至15V之間。

1.諸如TPS62180的2相位降壓轉(zhuǎn)換器根據(jù)輸入電壓與輸出電壓，使用AEE來調(diào)節(jié)開關(guān)頻率。

為了實現(xiàn)更低的輸出電壓，開關(guān)頻率被減少，以便在電感器中保持適當(dāng)?shù)募y波電流數(shù)量。在更加常見的峰值電流限制類型的降壓轉(zhuǎn)換器IC中，峰值電感器電流定義了IC的可用輸出電流。

在IC內(nèi)部設(shè)定了固定的電流限值時，峰值電感器電流必須保持在滿輸出電流時的電流限制電平以下。由于峰值電感器電流為輸出電流加上電感器紋波電流的一半，紋波電流必須保持在足夠低的水平上。否則，會過快地達到電流限值，并且IC不能夠提供必要的輸出電流。

借助較低的輸出電壓，從方程式1中可以看出，電感器紋波電流已經(jīng)減少：

ΔIL = VOUT × (1 – VOUT/VIN)/(L × FSW) (1)

由于紋波電流的減少，開關(guān)頻率也隨著輸出電壓的下降而減少，從而將紋波電流增加到允許的水平上。圖2顯示的是從圖1中的頻率數(shù)據(jù)和方程式1中計算得出的電感器紋波電流。

2.對于任一輸出電壓，AEE提供針對指定輸入電壓的恒定紋波電流。

在一個指定的工作點上，不論輸出電壓是多少，紋波電流從本質(zhì)上是相同的。AEE通過減少較低輸出電壓時的開關(guān)頻率來實現(xiàn)這一功能。開關(guān)頻率的減少縮短了由輸出電壓下降而導(dǎo)致的效率差異。圖3顯示的是執(zhí)行AEE時的效率值。

3. 一個2相位降壓轉(zhuǎn)換器通過AEE縮短了較低輸出電壓情況下的效率差距。

由于較低輸出電壓時的較低頻率減少了開關(guān)頻率，它還減少了總體損耗。相對于大多數(shù)電源轉(zhuǎn)換拓?fù)洌@種方法提高了效率，從而在所有輸出電壓情況下使效率保持恒定。

結(jié)論

在諸如TPS62180的降壓轉(zhuǎn)換器中，對于較低的輸出電壓，AEE提供了比定頻、降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)涓叩男?。借助? AEE，3.3V輸出電壓時的效率為91%，保持在較高的水平上，對于較低輸出電壓：1.8V時的效率為87.5%，0.9V輸出電壓時的效率為82%。與定頻拓?fù)湎啾?，效率值分別提高了3.5%和9%。這些效率的提升在平板電腦等便攜式設(shè)備，以及SSD和服務(wù)器等對熱量非常敏感的設(shè)備中具有十分重要的意義。