一款名為自動(dòng)效率增強 (AEE) 的全新電源轉換方法，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(pán)等系統的電源效率。
每個(gè)電源設計人員面臨的一個(gè)常見(jiàn)挑戰就是用具有較低輸出電壓的降壓轉換器來(lái)實(shí)現高效率。例如，一個(gè) 3.3V輸出電壓電源在滿(mǎn)負載情況下的效率可以達到91%，而1.8V版本的電源滿(mǎn)負載情況下的效率只有84%。這個(gè)效率的下降產(chǎn)生了比其它方式更高的運行溫度。而對于便攜式系統來(lái)說(shuō)，這浪費了過(guò)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(pán) (SSD) 的用戶(hù)來(lái)說(shuō)，過(guò)熱的運行溫度或者較短的電池續航時(shí)間顯然是無(wú)法接受的。
需要一款全新的電源轉換方法在任何的輸出電壓下都保持高效率。作為此類(lèi)方法中的一個(gè)，自動(dòng)效率增強 (AEE) 在這種類(lèi)型的系統中，以較低的輸出電壓提供較高效率。
效率為什么會(huì )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(shí)的功率損耗并沒(méi)有相應地減少。在一個(gè)降壓轉換器中，損耗被分為開(kāi)關(guān)損耗與傳導損耗。開(kāi)關(guān)損耗大多數情況下取決于輸入電壓、輸出電流，以及開(kāi)關(guān)頻率。傳導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(zhù)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(guò)此時(shí)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(gè)電源的效率為84%。當配置為0.9V輸出時(shí)，2W的損耗只產(chǎn)生73%的效率。由于開(kāi)關(guān)頻率、MOSFET電阻、輸出電流，以及輸入電壓在這個(gè)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(gè)效率更高的解決方案
輸入電壓和輸出電流由系統和負載確定;因此，它們是不能輕易改變的。電源設計人員需要降低開(kāi)關(guān)頻率，或者是調節M(mǎn)OSFET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，由于目前大多數的降壓轉換器內部都集成了高側和低側MOSFET，電源設計人員不太可能調節電阻值。雖然有可能使用多個(gè)降壓轉換器集成電路 (IC) —每一個(gè)都針對特定的輸出電壓進(jìn)行優(yōu)化—而這對于IC設計來(lái)說(shuō)通常不太現實(shí)。因此，市面上通常沒(méi)有此類(lèi)器件。它還在物料清單 (BOM) 中產(chǎn)生了更多的IC，這也使系統設計變得復雜。
降低開(kāi)關(guān)頻率可減少開(kāi)關(guān)損耗并增加效率。在很多集成降壓轉換器中，有可能對頻率進(jìn)行調節。然而，調節開(kāi)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。這就需要更多的設計工作和時(shí)間，對于系統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(huì )增加BOM數量。
用AEE對開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行智能調節
在不需要設計人員干預的情況下，AEE在使用同樣的輸出濾波器和環(huán)路補償的情況下，通過(guò)調節開(kāi)關(guān)頻率來(lái)提高效率。根據輸入電壓與輸出電壓，對開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行自動(dòng)調節，在保持控制環(huán)路穩定性和輸出濾波器有效性的同時(shí)，盡可能地提高效率。無(wú)需將頻率設定在一個(gè)只針對特定運行條件而進(jìn)行優(yōu)化的運行點(diǎn)上;運行期間，它對自身進(jìn)行動(dòng)態(tài)調節。圖1顯示的是針對3.3、1.8、0.9V輸出電壓電路的開(kāi)關(guān)頻率，這些電路的負載電流為6A，輸入電壓范圍在6至15V之間。
1.諸如TPS62180的2相位降壓轉換器根據輸入電壓與輸出電壓，使用AEE來(lái)調節開(kāi)關(guān)頻率。
為了實(shí)現更低的輸出電壓，開(kāi)關(guān)頻率被減少，以便在電感器中保持適當的紋波電流數量。在更加常見(jiàn)的峰值電流限制類(lèi)型的降壓轉換器IC中，峰值電感器電流定義了IC的可用輸出電流。
在IC內部設定了固定的電流限值時(shí)，峰值電感器電流必須保持在滿(mǎn)輸出電流時(shí)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(huì )過(guò)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(kāi)關(guān)頻率也隨著(zhù)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中的頻率數據和方程式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(gè)指定的工作點(diǎn)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(guò)減少較低輸出電壓時(shí)的開(kāi)關(guān)頻率來(lái)實(shí)現這一功能。開(kāi)關(guān)頻率的減少縮短了由輸出電壓下降而導致的效率差異。圖3顯示的是執行AEE時(shí)的效率值。
3. 一個(gè)2相位降壓轉換器通過(guò)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(shí)的較低頻率減少了開(kāi)關(guān)頻率，它還減少了總體損耗。相對于大多數電源轉換拓撲，這種方法提高了效率，從而在所有輸出電壓情況下使效率保持恒定。
結論
在諸如TPS62180的降壓轉換器中，對于較低的輸出電壓，AEE提供了比定頻、降壓轉換器拓撲更高的效率。借助于 AEE，3.3V輸出電壓時(shí)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(shí)的效率為87.5%，0.9V輸出電壓時(shí)的效率為82%。與定頻拓撲相比，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備，以及SSD和服務(wù)器等對熱量非常敏感的設備中具有十分重要的意義。 |
