让降压DC/DC转换器保持高能效的解决方案

传统上，在降压 DC/DC 转换器中，在将输出电压配置为较低值时，功率转换效率也会降低。 例如，对于 12 V 输入转 3.3 V 输出的降压 DC/DC 转换器，在满载时可以提供 90% 以上的能效。 同样的转换器，当输出电压配置为 1.8 V 时，即使采用类似的输入特征，在满载时也只能实现低于 84% 的能效。 随着进一步将输出电压配置为更低的值，相同的输入参数获得的性能也会持续降低。 结果就是，因为更高的损耗而在封装内产生更多的功率耗散，从而造成温度升高。 这不是我们所期望的，特别是用在象笔记本电脑、平板电脑和固态驱动器 (SSD) 之类电池供电产品中，因为高工作温度会干扰产品性能。

为解决这一问题，Texas Instruments 的工程师们开发出了一种称作“能效自动增强”或“AEE”的新型功率转换方法。 即使将输出电压配置得很低，这一专有技术也能让降压 DC/DC 转换器保持高能效。 换言之，不管输出电压如何变化，功率转换效率始终保持高水平。

能效下降

但是在介绍 AEE 前，让我们先看看是什么造成能效下降。 TI 的应用工程师 Chris Glaser 在其《AEE 提升了较低输出电压降压转换器的能效》一文中解释了这种效率下降的原因。 据 Glaser 所述，配置较低的输出电压下导致降压转换器能效下降的直接原因是，输出功率降低了，功耗却没有相应减少。

在开关模式电源中，功耗一般包括开关损耗和传导损耗。 众所周知，开关损耗取决于输入电压、输出电流和开关频率，而传导损耗则由输出电流和 MOSFET 的导通电阻决定。 因此输出电压不是转换器整体损耗的影响因素，但输入电压相同时，输出功率，即输出电压与输出电流的乘积，肯定会随输出电压下降而下降。 所以功耗相同时，能效必然会随转换器配置的输出电压下降而下降，因为“能效 =(输出功率)/(输出功率 + 损耗)”。

现在，依据 TI 的这篇文章，开关损耗可以通过降低转换器配置为低电压时的开关频率来减少，从而提升能效。 但是重新设计输出滤波器和回路补偿电路要耗费不少的工作量。 Glaser 指出“这需要在设计上花费更多时间和精力，并且系统中输出电压不同的电路可能需要不同的元件，因此可能增加物料 (BOM) 成本。”

动态自适应开关频率

AEE 让开关频率困境迎刃而解。 据 TI 所称，AEE 能自动调节开关频率来改善转换效率，而不影响输出滤波器和回路补偿电路。 按照 Glaser 的解释，该方法根据输入和输出电压，自动调节开关频率来增强效率，同时保持控制回路的稳定性和输出滤波器。

简而言之，为了在整个占空比 (VOUT/VIN) 范围内保持高能效，AEE 要确保在电感器纹波电流保持低水平的同时，实现开关频率调节。 参考 1 给出了电感器纹波电流 (ΔIL)、开关频率 (FSW) 和占空比 (D = VOUT/VIN)) 之间的关系，如下所示：

 

 

因此，根据等式 1，可见 AEE 确保了电感器纹波电流差异在给定输入电压条件下随输出电压的变化是最小的。 这是在输出电压配置得更低时降低开关频率来实现的。

TI 的双相降压转换器 TPS62180/TPS62182 就集成了这种 AEE，能够在高达 6 A 输出电流条件下在 0.9 V 至 6 V 可调输出电压范围内和 4 V 至 15 V 输出电压范围内实现高能效。图 1 给出了带有 AEE 和输出电压可调的 TPS62180 的功能框图。 与 TPS62180 不同，TPS62182 是固定输出降压转换器，带有 AEE 并具有 3.3 V 固定输出电压。

 

 

图 1：TPS62180 采用了能效自动增强方式，在配置了更低输出电压条件下保持该降压 DC/DC 转换器的能效。 (图片由 Texas Instruments 友情提供)

为展示 AEE 工作原理，TI 还提供了一些使用 TPS62180 的测量结果。 例如，图 2 展示了 TPS62180 在给定输入电压条件下随输出电压配置从 3.3 V 降至 0.9 V 时的开关频率调整。 同样，开关频率也随输入电压变化而变化。

 

 

图 2：为保持高能效，TPS62180 双相降压 DC/DC 转换器采用能效自动增强方式，根据输出和输入电压来调节开关频率。 (图片由 Texas Instruments 友情提供)

类似的是，为展示 AEE 对 TPS62180 能效性能的影响，该厂商还测量了不同输出电压条件下随输入电压变化的能效。 在两个不同输出电压(3.3 V 和 1.8 V)条件下测量所得的能效性能与输入电压的比较见图 3 和图 4。 细看这两个图形，可见带有 AEE 时，12 V 输出、1.8 V 低输出时的满载能效约为 88%。 相同输入和 3.3 V 输出时，能效约为 92%，说明在使用 AEE 后两个输出的能效差异较小。 据 TI 所说，没有 AEE 时，这种差异则要大得多。

 

 

图 3：带有 AEE 的双相降压 DC/DC 转换器 TPS62180 的输入电压能效对比。 该转换器的输出电压为 3.3 V。(图片由 Texas Instruments 友情提供)

 

 

图 4：带有 AEE 的双相降压 DC/DC 转换器 TPS62180 的输入电压能效对比。 该转换器的输出电压为 1.8 V。

总之，相比固定频率拓扑结构，AEE 能帮助象 TPS62180 这样的降压转换器，提升在配置为较低输出电压条件下的功率转换效率。