解決降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器保持高能效的方案

傳統(tǒng)上，在降壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器中，在將輸出電壓配置為較低值時(shí)，功率轉(zhuǎn)換效率也會(huì)降低。 例如，對(duì)于 12 V 輸入轉(zhuǎn) 3.3 V 輸出的降壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，在滿載時(shí)可以提供 90% 以上的能效。 同樣的轉(zhuǎn)換器，當(dāng)輸出電壓配置為 1.8 V 時(shí)，即使采用類似的輸入特征，在滿載時(shí)也只能實(shí)現(xiàn)低于 84% 的能效。 隨著進(jìn)一步將輸出電壓配置為更低的值，相同的輸入?yún)?shù)獲得的性能也會(huì)持續(xù)降低。 結(jié)果就是，因?yàn)楦叩膿p耗而在封裝內(nèi)產(chǎn)生更多的功率耗散，從而造成溫度升高。 這不是我們所期望的，特別是用在象筆記本電腦、平板電腦和固態(tài)驅(qū)動(dòng)器 (SSD) 之類電池供電產(chǎn)品中，因?yàn)楦吖ぷ鳒囟葧?huì)干擾產(chǎn)品性能。

為解決這一問(wèn)題，Texas Instruments 的工程師們開(kāi)發(fā)出了一種稱作“能效自動(dòng)增強(qiáng)”或“AEE”的新型功率轉(zhuǎn)換方法。 即使將輸出電壓配置得很低，這一專有技術(shù)也能讓降壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器保持高能效。 換言之，不管輸出電壓如何變化，功率轉(zhuǎn)換效率始終保持高水平。

能效下降

但是在介紹 AEE 前，讓我們先看看是什么造成能效下降。 TI 的應(yīng)用工程師 Chris Glaser 在其《AEE 提升了較低輸出電壓降壓轉(zhuǎn)換器的能效》一文中解釋了這種效率下降的原因。 據(jù) Glaser 所述，配置較低的輸出電壓下導(dǎo)致降壓轉(zhuǎn)換器能效下降的直接原因是，輸出功率降低了，功耗卻沒(méi)有相應(yīng)減少。

在開(kāi)關(guān)模式電源中，功耗一般包括開(kāi)關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗。 眾所周知，開(kāi)關(guān)損耗取決于輸入電壓、輸出電流和開(kāi)關(guān)頻率，而傳導(dǎo)損耗則由輸出電流和 MOSFET 的導(dǎo)通電阻決定。 因此輸出電壓不是轉(zhuǎn)換器整體損耗的影響因素，但輸入電壓相同時(shí)，輸出功率，即輸出電壓與輸出電流的乘積，肯定會(huì)隨輸出電壓下降而下降。 所以功耗相同時(shí)，能效必然會(huì)隨轉(zhuǎn)換器配置的輸出電壓下降而下降，因?yàn)?ldquo;能效 =(輸出功率)/(輸出功率 + 損耗)”。

現(xiàn)在，依據(jù) TI 的這篇文章，開(kāi)關(guān)損耗可以通過(guò)降低轉(zhuǎn)換器配置為低電壓時(shí)的開(kāi)關(guān)頻率來(lái)減少，從而提升能效。 但是重新設(shè)計(jì)輸出濾波器和回路補(bǔ)償電路要耗費(fèi)不少的工作量。 Glaser 指出“這需要在設(shè)計(jì)上花費(fèi)更多時(shí)間和精力，并且系統(tǒng)中輸出電壓不同的電路可能需要不同的元件，因此可能增加物料 (BOM) 成本。”

動(dòng)態(tài)自適應(yīng)開(kāi)關(guān)頻率

AEE 讓開(kāi)關(guān)頻率困境迎刃而解。 據(jù) TI 所稱，AEE 能自動(dòng)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率來(lái)改善轉(zhuǎn)換效率，而不影響輸出濾波器和回路補(bǔ)償電路。 按照 Glaser 的解釋，該方法根據(jù)輸入和輸出電壓，自動(dòng)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率來(lái)增強(qiáng)效率，同時(shí)保持控制回路的穩(wěn)定性和輸出濾波器。

簡(jiǎn)而言之，為了在整個(gè)占空比 (VOUT/VIN) 范圍內(nèi)保持高能效，AEE 要確保在電感器紋波電流保持低水平的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)頻率調(diào)節(jié)。 參考 1 給出了電感器紋波電流 (ΔIL)、開(kāi)關(guān)頻率 (FSW) 和占空比 (D = VOUT/VIN)) 之間的關(guān)系，如下所示：

因此，根據(jù)等式 1，可見(jiàn) AEE 確保了電感器紋波電流差異在給定輸入電壓條件下隨輸出電壓的變化是最小的。 這是在輸出電壓配置得更低時(shí)降低開(kāi)關(guān)頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

TI 的雙相降壓轉(zhuǎn)換器 TPS62180/TPS62182 就集成了這種 AEE，能夠在高達(dá) 6 A 輸出電流條件下在 0.9 V 至 6 V 可調(diào)輸出電壓范圍內(nèi)和 4 V 至 15 V 輸出電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高能效。圖 1 給出了帶有 AEE 和輸出電壓可調(diào)的 TPS62180 的功能框圖。 與 TPS62180 不同，TPS62182 是固定輸出降壓轉(zhuǎn)換器，帶有 AEE 并具有 3.3 V 固定輸出電壓。

圖 1：TPS62180 采用了能效自動(dòng)增強(qiáng)方式，在配置了更低輸出電壓條件下保持該降壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的能效。 (圖片由 Texas Instruments 友情提供)

為展示 AEE 工作原理，TI 還提供了一些使用 TPS62180 的測(cè)量結(jié)果。 例如，圖 2 展示了 TPS62180 在給定輸入電壓條件下隨輸出電壓配置從 3.3 V 降至 0.9 V 時(shí)的開(kāi)關(guān)頻率調(diào)整。 同樣，開(kāi)關(guān)頻率也隨輸入電壓變化而變化。

圖 2：為保持高能效，TPS62180 雙相降壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器采用能效自動(dòng)增強(qiáng)方式，根據(jù)輸出和輸入電壓來(lái)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率。 (圖片由 Texas Instruments 友情提供)

類似的是，為展示 AEE 對(duì) TPS62180 能效性能的影響，該廠商還測(cè)量了不同輸出電壓條件下隨輸入電壓變化的能效。 在兩個(gè)不同輸出電壓(3.3 V 和 1.8 V)條件下測(cè)量所得的能效性能與輸入電壓的比較見(jiàn)圖 3 和圖 4。 細(xì)看這兩個(gè)圖形，可見(jiàn)帶有 AEE 時(shí)，12 V 輸出、1.8 V 低輸出時(shí)的滿載能效約為 88%。 相同輸入和 3.3 V 輸出時(shí)，能效約為 92%，說(shuō)明在使用 AEE 后兩個(gè)輸出的能效差異較小。 據(jù) TI 所說(shuō)，沒(méi)有 AEE 時(shí)，這種差異則要大得多。

圖 3：帶有 AEE 的雙相降壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器 TPS62180 的輸入電壓能效對(duì)比。 該轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為 3.3 V。(圖片由 Texas Instruments 友情提供)

圖 4：帶有 AEE 的雙相降壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器 TPS62180 的輸入電壓能效對(duì)比。 該轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為 1.8 V。

總之，相比固定頻率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，AEE 能幫助象 TPS62180 這樣的降壓轉(zhuǎn)換器，提升在配置為較低輸出電壓條件下的功率轉(zhuǎn)換效率。