開關(guān)DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器很受歡迎,因為它們可以提供超過90%的高效電源轉(zhuǎn)換。當輸入功率非常高并且難以散熱時(工程師設(shè)計緊湊型便攜式產(chǎn)品的常見挑戰(zhàn)),這是一個優(yōu)勢。
由于關(guān)鍵電源組件制造商提供的產(chǎn)品在規(guī)格表中看起來幾乎相同,因此工程師很容易從滿足其產(chǎn)品一般要求的候選名單中選擇具有最高峰值效率的開關(guān)轉(zhuǎn)換器。然而,這將是一個錯誤,因為明顯相同的轉(zhuǎn)換器可以提供明顯不同的性能。
本文考慮了功率耗散和相關(guān)熱量上升的主要影響,效率差異只有幾個百分點。然后,本文將討論如何根據(jù)負載模式,具有較低峰值效率但效率更平坦的轉(zhuǎn)換器,對于特定應(yīng)用而言,它可能是更好的選擇。
小心功率損耗
高效的電壓轉(zhuǎn)換器是電子設(shè)計界的熱門話題,因為設(shè)計人員面臨著降低功耗的壓力。對于電池供電設(shè)備的設(shè)計者來說,挑戰(zhàn)顯而易見:在提供良好功能的同時最大化電池壽命。不太明顯但仍然是一個主要問題是,主電源設(shè)備的設(shè)計者需要滿足各種國家和國際法規(guī)要求最低供應(yīng)效率。
好消息是,由于設(shè)計越來越巧妙,現(xiàn)代轉(zhuǎn)換器的開關(guān)和磁性元件的高性能(參見TechZone文章“電感器在完成基于功率模塊的解決方案中的作用”),它不是很難找到能夠提供85%到95%峰值效率的轉(zhuǎn)換器。與過去的線性穩(wěn)壓器相比,這是一個相當大的改進,它只能為輸出端子提供大約60%的輸入功率(盡管現(xiàn)代低壓差(LDO)產(chǎn)品的性能要好得多 - 請參閱TechZone文章“了解優(yōu)點和缺點”)線性穩(wěn)壓器“)。
憑借來自多家芯片供應(yīng)商的各種電源的出色性能,在幾個百分點的效率上狡辯是一件好事。然而,雖然指定效率稍低的較便宜的轉(zhuǎn)換器可能看起來是一個好的決定,但購買價格只是所有權(quán)成本的一部分。雖然制造商不必承擔這些運行成本,但是以驚人的速度吃電池的產(chǎn)品幾乎不會提高制造商在客戶眼中的聲譽。
為了說明幾個百分點的效率有多重要,可以考慮兩個電壓轉(zhuǎn)換器,效率分別為90%和85%。
電壓轉(zhuǎn)換器的效率公式為:
(輸出功率/輸入功率)x 100 =效率(%)
電壓轉(zhuǎn)換器的功率損耗為:
(輸出功率/效率) - 輸出功率=功率損耗(W)
考慮使用德州儀器(TI)的LM2623等電壓轉(zhuǎn)換器。這是一款2 MHz升壓開關(guān)穩(wěn)壓器,具有0.8至14 V輸入和1.24至14 V輸出。從數(shù)據(jù)表中可以看出,峰值效率為90%,VIN = 4.2 V,VOUT = 5 V,負載為300 mA。因此,該工作點的輸出功率為1.5 W.
該器件的功率損耗為:
(1.5 W/0.90) - 1.5 W = 166 mW
將此與相同的電壓轉(zhuǎn)換器進行比較相同的工作條件,但效率為85%:《br》(1.5 W/0.85) - 1.5 W = 264 mW
效率較低的電壓轉(zhuǎn)換器幾乎耗散了100 mW。
兩個相似的電壓轉(zhuǎn)換器之間的效率差異很小,從而增加了顯著的額外功率損耗。雖然看起來只有5%的差異對性能的影響可以忽略不計,但實際情況卻截然不同。效率較低的轉(zhuǎn)換器將不斷需要更多的輸入功率來維持與替代設(shè)備相同的輸出。隨著時間的推移,恒定的額外電流會增加許多昂貴的能量。幾毫瓦的功率損耗可導致溫度上升超過幾攝氏度(圖1)。熱量是硅芯片的最大殺手,僅增加10oC就可能使平均故障間隔時間(MTBF)減半。
圖1:過熱導致早期產(chǎn)品故障。
因此,在開關(guān)DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器選擇過程中開始的一個好處是,可以在材料清單(BOM)中提供最高效率的器件。但這遠不是完整的故事。
開關(guān)轉(zhuǎn)換器效率曲線
開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器的效率曲線不是平坦的,而是在低負載和高負載時顯著降低。圖2顯示了開關(guān)轉(zhuǎn)換器的典型效率曲線通常如何分為三個區(qū)域。 (之前的TechZone文章“在低負載期間限制開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器低效率的技術(shù)”解釋了效率在負載范圍內(nèi)變化的原因。)
圖2:DC/DC轉(zhuǎn)換器的典型效率曲線。
由于開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器全部采用類似的拓撲結(jié)構(gòu)制造,金屬氧化物半導體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)用于開關(guān)操作,而緊湊型磁性元件用于儲能,因此大多數(shù)現(xiàn)代器件的效率曲線具有相似的形狀。
信譽良好的功率芯片供應(yīng)商在不同的輸入和輸出電壓下為其產(chǎn)品提供效率與負載圖。硅負載點(PoL)電壓轉(zhuǎn)換器通常具有效率“最佳點”,約為其全電流額定值的50%至70%。
例如,圖3顯示了飛兆半導體的FAN4860升壓(‘升壓’)開關(guān)DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器的負載電流與效率關(guān)系圖。該器件采用3 MHz同步芯片,可在2.3至4.5 V的輸入電壓范圍內(nèi)工作,并提供3.3或5 V的固定輸出。最大負載電流(VIN = 3.3 V,VOUT = 5 V)為300 mA。從圖3中可以看出,在這些工作條件下,該芯片的最佳負載約為200 mA,效率峰值約為88%。輸入電壓升至4.5 V,效率提升至94%左右。
圖3:飛兆半導體FAN4860電壓轉(zhuǎn)換器的效率曲線。
跟蹤負載曲線
上述示例對于要求在5 V下恒定200 mA的產(chǎn)品是一個很好的解決方案。但是,在實踐中,產(chǎn)品很少在恒定負載下運行。選擇電壓調(diào)節(jié)器時,設(shè)計人員必須檢查產(chǎn)品的功率需求如何改變負載曲線上的操作點。
考慮以下比較。圖4顯示了安森美半導體NCP1421 1.2 MHz升壓轉(zhuǎn)換器的效率曲線,該轉(zhuǎn)換器能夠提供高達600 mA的電流(VIN = 2.5 V,VOUT = 3.3 V)。同樣,圖5顯示了凌力爾特公司LTC3526 1 MHz升壓轉(zhuǎn)換器的效率曲線,該轉(zhuǎn)換器能夠從2.4 V輸入和高達5.25 V輸出提供550 mA電流。 (在這種情況下,輸出電壓也是3.3 V.)
圖4:安森美半導體NCP1421 1.2 MHz升壓轉(zhuǎn)換器的效率曲線。
圖5:Linear Technology LTC3526 1 MHz升壓轉(zhuǎn)換器的效率曲線。
讓我們假設(shè)設(shè)計人員希望為使用2.4至2.5 V輸入需要3.3 V輸出的應(yīng)用選擇最佳電壓轉(zhuǎn)換器。在這些工作條件下,安森美半導體器件的峰值效率達到95%(負載為60 mA),凌力爾特公司的芯片峰值功率達到93%(負載為90 mA)。前者似乎是繪制恒定60 mA應(yīng)用的最佳選擇,但對于要求可變負載的產(chǎn)品,事情則不那么明確。例如,在10 mA負載下,LTC3526的運行效率超過90%,而NCP1421則降至87%。然而,在高負載(例如300 mA)下,NCP1421的效率為92%,而LTC3526的效率為87%。
適用于此應(yīng)用的電壓調(diào)節(jié)器的正確選擇取決于最終產(chǎn)品的負載模式。對于大部分時間在高負載(70 mA以上)下使用的產(chǎn)品,LTC3526將是最佳選擇,因為它在該工作區(qū)域更有效。但是,如果占空比確定應(yīng)用將在低負載(低于20 mA)下花費大量時間,那么NCP1421可能是更好的選擇。
便攜式設(shè)備設(shè)計人員尤其應(yīng)該密切關(guān)注電壓轉(zhuǎn)換器在低負載時的性能,因為許多電池供電設(shè)備在待機或睡眠模式下花費大量時間以在不使用時節(jié)省電力。在這些低電流下,開關(guān)轉(zhuǎn)換器效率相對較低,并且可以抵消設(shè)計者希望通過在不使用時將產(chǎn)品切換到低功率模式而實現(xiàn)的一些功率節(jié)省。
當預算緊張時,確定應(yīng)用程序在典型使用中的負載模式尤其重要,因為具有較高峰值效率的產(chǎn)品通常更昂貴。但是,如果電壓轉(zhuǎn)換器很少或從未在其峰值效率附近運行,那么額外的成本可能是資金減少。
出于類似的原因,設(shè)計人員不應(yīng)過度指定電壓轉(zhuǎn)換器,以提高效率。例如,如果設(shè)計人員需要一個可以提供500 mA電流的轉(zhuǎn)換器,那么尋找能夠管理高達700 mA的設(shè)備以提供一定的安全裕度是明智的。設(shè)計人員可能會選擇1 W電壓轉(zhuǎn)換器,這是基于它可以滿足規(guī)范但提供更高安全裕度的假設(shè)。但是,產(chǎn)品的工作負載會導致額定電壓較高的電壓轉(zhuǎn)換器在效率曲線的較低區(qū)域發(fā)揮作用,而性能會逐漸降低。工程師不僅要為電壓轉(zhuǎn)換器支付更多費用,而且還會讓消費者背負劣質(zhì)終端產(chǎn)品。
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