一款名為自動(dòng)效率增強(qiáng) (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(pán)等系統(tǒng)的電源效率。

每個(gè)電源設(shè)計(jì)人員面臨的一個(gè)常見(jiàn)挑戰(zhàn)就是用具有較低輸出電壓的降壓轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)高效率。例如，一個(gè) 3.3V輸出電壓電源在滿(mǎn)負(fù)載情況下的效率可以達(dá)到91%，而1.8V版本的電源滿(mǎn)負(fù)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(yùn)行溫度。而對(duì)于便攜式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這浪費(fèi)了過(guò)多的電池電量。對(duì)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(yùn)行溫度或者較短的電池續(xù)航時(shí)間顯然是無(wú)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(lèi)方法中的一個(gè)，自動(dòng)效率增強(qiáng) (AEE) 在這種類(lèi)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(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(yīng)地減少。在一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器中，損耗被分為開(kāi)關(guān)損耗與傳導(dǎo)損耗。開(kāi)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(kāi)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(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(dá)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(dāng)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(tǒng)和負(fù)載確定;因此，它們是不能輕易改變的。電源設(shè)計(jì)人員需要降低開(kāi)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(jì)人員不太可能調(diào)節(jié)電阻值。雖然有可能使用多個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器集成電路 (IC) —每一個(gè)都針對(duì)特定的輸出電壓進(jìn)行優(yōu)化—而這對(duì)于IC設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)通常不太現(xiàn)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(tǒng)設(shè)計(jì)變得復(fù)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(zhuǎn)換器中，有可能對(duì)頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。然而，調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率通常需要重新計(jì)算輸出濾波器和環(huán)路補(bǔ)償電路。這就需要更多的設(shè)計(jì)工作和時(shí)間，對(duì)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(huì)增加BOM數(shù)量。

用AEE對(duì)開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行智能調(diào)節(jié)

在不需要設(shè)計(jì)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(bǔ)償?shù)那闆r下，通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率來(lái)提高效率。根據(jù)輸入電壓與輸出電壓，對(duì)開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行自動(dòng)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(shí)，盡可能地提高效率。無(wú)需將頻率設(shè)定在一個(gè)只針對(duì)特定運(yùn)行條件而進(jìn)行優(yōu)化的運(yùn)行點(diǎn)上;運(yùn)行期間，它對(duì)自身進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。圖1顯示的是針對(duì)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(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(lái)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率。

為了實(shí)現(xiàn)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(dāng)?shù)募y波電流數(shù)量。在更加常見(jiàn)的峰值電流限制類(lèi)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(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(dá)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(jì)算得出的電感器紋波電流。

2.對(duì)于任一輸出電壓，AEE提供針對(duì)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(xiàn)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(dǎo)致的效率差異。圖3顯示的是執(zhí)行AEE時(shí)的效率值。

3. 一個(gè)2相位降壓轉(zhuǎn)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(duì)于大多數(shù)電源轉(zhuǎn)換拓?fù)?，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(jié)論

在諸如TPS62180的降壓轉(zhuǎn)換器中，對(duì)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(shí)的效率為91%，保持在較高的水平上，對(duì)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?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(duì)熱量非常敏感的設(shè)備中具有十分重要的意義。