AEE提升了低输出电压降压转换器的效率

2015-09-15 14:55:53来源: EEWORLD作者: Chris Glaser,德州仪器 (TI) 应用工程师
一款名为自动效率增强(AEE)的全新电源转换方法,可以以较低的输出电压提高平板电脑、服务器和固态硬盘等系统的电源效率。

每个电源设计人员面临的一个常见挑战就是用具有较低输出电压的降压转换器来实现高效率。例如,一个3.3V输出电压电源在满负载情况下的效率可以达到91%,而1.8V版本的电源满负载情况下的效率只有84%。这个效率的下降产生了比其它方式更高的运行温度。而对于便携式系统来说,这浪费了过多的电池电量。对于包含了这些电源的平板电脑、服务器,或者固态硬盘 (SSD) 的用户来说,过热的运行温度或者较短的电池续航时间显然是无法接受的。
需要一款全新的电源转换方法在任何的输出电压下都保持高效率。作为此类方法中的一个,自动效率增强 (AEE) 在这种类型的系统中,以较低的输出电压提供较高效率。

效率为什么会下降?

较低输出电压情况下的效率下降与输出功率的减少量直接相关,而此时的功率损耗并没有相应地减少。在一个降压转换器中,损耗被分为开关损耗与传导损耗。开关损耗大多数情况下取决于输入电压、输出电流,以及开关频率。传导损耗则与输出电流和MOSFET电阻有关。由于输出电压并不是损耗量多少的主要决定因素,损耗的减少量要低于输出功率的减少量。

较低的输出电压意味着更少的输出功率,而输出功率为输出电流乘以输出电压。由于效率被定义为输出功率除以输出功率与损耗的和,较低的效率是由较低的输出功率造成的—不过此时的损耗相同。

例如,提供6A输出电流、功率损耗2W的3.3V输出电压电源产生的效率达到91%。同样配置为1.8V输出电压的电源产生的损耗同样为2W。由于输出功率减少了,所以这个电源的效率为84%。当配置为0.9V输出时,2W的损耗只产生73%的效率。由于开关频率、MOSFET电阻、输出电流,以及输入电压在这个比较中保持恒定,所以损耗大致相同,而效率分别下降了7%和18%。

两个效率更高的解决方案

输入电压和输出电流由系统和负载确定;因此,它们是不能轻易改变的。电源设计人员需要降低开关频率,或者是调节MOSFET电阻,以便在较低的输出电压情况下获得更高效率。

通常情况下,由于目前大多数的降压转换器内部都集成了高侧和低侧MOSFET,电源设计人员不太可能调节电阻值。虽然有可能使用多个降压转换器集成电路 (IC) —每一个都针对特定的输出电压进行优化—而这对于IC设计来说通常不太现实。因此,市面上通常没有此类器件。它还在物料清单 (BOM) 中产生了更多的IC,这也使系统设计变得复杂。

降低开关频率可减少开关损耗并增加效率。在很多集成降压转换器中,有可能对频率进行调节。然而,调节开关频率通常需要重新计算输出滤波器和环路补偿电路。这就需要更多的设计工作和时间,对于系统中的不同输出电压电路,有可能需要不同的组件。而这样做也同样会增加BOM数量。

用AEE对开关频率进行智能调节

在不需要设计人员干预的情况下,AEE在使用同样的输出滤波器和环路补偿的情况下,通过调节开关频率来提高效率。根据输入电压与输出电压,对开关频率进行自动调节,在保持控制环路稳定性和输出滤波器有效性的同时,尽可能地提高效率。无需将频率设定在一个只针对特定运行条件而进行优化的运行点上;运行期间,它对自身进行动态调节。图1显示的是针对3.3、1.8、0.9V输出电压电路的开关频率,这些电路的负载电流为6A,输入电压范围在6至15V之间。
 

1. 诸如TPS62180的2相位降压转换器根据输入电压与输出电压,使用AEE来调节开关频率。

为了实现更低的输出电压,开关频率被减少,以便在电感器中保持适当的纹波电流数量。在更加常见的峰值电流限制类型的降压转换器IC中,峰值电感器电流定义了IC的可用输出电流。

在IC内部设定了固定的电流限值时,峰值电感器电流必须保持在满输出电流时的电流限制电平以下。由于峰值电感器电流为输出电流加上电感器纹波电流的一半,纹波电流必须保持在足够低的水平上。否则,会过快地达到电流限值,并且IC不能够提供必要的输出电流。

借助较低的输出电压,从方程式1中可以看出,电感器纹波电流已经减少:

由于纹波电流的减少,开关频率也随着输出电压的下降而减少,从而将纹波电流增加到允许的水平上。图2显示的是从图1中的频率数据和方程式1中计算得出的电感器纹波电流。

 
2. 对于任一输出电压,AEE提供针对指定输入电压的恒定纹波电流。

在一个指定的工作点上,不论输出电压是多少,纹波电流从本质上是相同的。AEE通过减少较低输出电压时的开关频率来实现这一功能。开关频率的减少缩短了由输出电压下降而导致的效率差异。图3显示的是执行AEE时的效率值。
 

3. 一个2相位降压转换器通过AEE缩短了较低输出电压情况下的效率差距。

由于较低输出电压时的较低频率减少了开关频率,它还减少了总体损耗。相对于大多数电源转换拓扑,这种方法提高了效率,从而在所有输出电压情况下使效率保持恒定。

结论
    在诸如TPS62180的降压转换器中,对于较低的输出电压,AEE提供了比定频、降压转换器拓扑更高的效率。借助于AEE,3.3V输出电压时的效率为91%,保持在较高的水平上,对于较低输出电压:1.8V时的效率为87.5%,0.9V输出电压时的效率为82%。与定频拓扑相比,效率值分别提高了3.5%和9%。这些效率的提升在平板电脑等便携式设备,以及SSD和服务器等对热量非常敏感的设备中具有十分重要的意义。

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关键字:AEE  降压转换器  TI

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