如何根據(jù)負(fù)載模式與峰值效率選擇合適的電壓轉(zhuǎn)換器

開關(guān)DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器很受歡迎，因?yàn)樗鼈兛梢蕴峁┏^90％的高效電源轉(zhuǎn)換。當(dāng)輸入功率非常高并且難以散熱時(shí)（工程師設(shè)計(jì)緊湊型便攜式產(chǎn)品的常見挑戰(zhàn)），這是一個(gè)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(gè)錯(cuò)誤，因?yàn)槊黠@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(gè)百分點(diǎn)。然后，本文將討論如何根據(jù)負(fù)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(jì)界的熱門話題，因?yàn)樵O(shè)計(jì)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(jì)者來說，挑戰(zhàn)顯而易見：在提供良好功能的同時(shí)最大化電池壽命。不太明顯但仍然是一個(gè)主要問題是，主電源設(shè)備的設(shè)計(jì)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(jì)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(gè)相當(dāng)大的改進(jìn)，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(diǎn)和缺點(diǎn)”）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(gè)百分點(diǎn)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(gè)好的決定，但購買價(jià)格只是所有權(quán)成本的一部分。雖然制造商不必承擔(dān)這些運(yùn)行成本，但是以驚人的速度吃電池的產(chǎn)品幾乎不會(huì)提高制造商在客戶眼中的聲譽(yù)。

為了說明幾個(gè)百分點(diǎn)的效率有多重要，可以考慮兩個(gè)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(fù)載為300 mA。因此，該工作點(diǎn)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(jìn)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(gè)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(jì)，但實(shí)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(shí)間的推移，恒定的額外電流會(huì)增加許多昂貴的能量。幾毫瓦的功率損耗可導(dǎo)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(shí)間（MTBF）減半。

圖1：過熱導(dǎo)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(gè)好處是，可以在材料清單（BOM）中提供最高效率的器件。但這遠(yuǎn)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(fù)載和高負(fù)載時(shí)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(gè)區(qū)域。 （之前的TechZone文章“在低負(fù)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(fù)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)制造，金屬氧化物半導(dǎo)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(chǔ)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(yù)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(fù)載圖。硅負(fù)載點(diǎn)（PoL）電壓轉(zhuǎn)換器通常具有效率“最佳點(diǎn)”，約為其全電流額定值的50％至70％。

例如，圖3顯示了飛兆半導(dǎo)體的FAN4860升壓（‘升壓’）開關(guān)DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器的負(fù)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(fù)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(fù)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(dǎo)體FAN4860電壓轉(zhuǎn)換器的效率曲線。

跟蹤負(fù)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(gè)很好的解決方案。但是，在實(shí)踐中，產(chǎn)品很少在恒定負(fù)載下運(yùn)行。選擇電壓調(diào)節(jié)器時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須檢查產(chǎn)品的功率需求如何改變負(fù)載曲線上的操作點(diǎn)。

考慮以下比較。圖4顯示了安森美半導(dǎo)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(dá)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(dá)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(dǎo)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(jì)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(dǎo)體器件的峰值效率達(dá)到95％（負(fù)載為60 mA），凌力爾特公司的芯片峰值功率達(dá)到93％（負(fù)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(fù)載的產(chǎn)品，事情則不那么明確。例如，在10 mA負(fù)載下，LTC3526的運(yùn)行效率超過90％，而NCP1421則降至87％。然而，在高負(fù)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(fù)載模式。對于大部分時(shí)間在高負(fù)載（70 mA以上）下使用的產(chǎn)品，LTC3526將是最佳選擇，因?yàn)樗谠摴ぷ鲄^(qū)域更有效。但是，如果占空比確定應(yīng)用將在低負(fù)載（低于20 mA）下花費(fèi)大量時(shí)間，那么NCP1421可能是更好的選擇。

便攜式設(shè)備設(shè)計(jì)人員尤其應(yīng)該密切關(guān)注電壓轉(zhuǎn)換器在低負(fù)載時(shí)的性能，因?yàn)樵S多電池供電設(shè)備在待機(jī)或睡眠模式下花費(fèi)大量時(shí)間以在不使用時(shí)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(jì)者希望通過在不使用時(shí)將產(chǎn)品切換到低功率模式而實(shí)現(xiàn)的一些功率節(jié)省。

當(dāng)預(yù)算緊張時(shí)，確定應(yīng)用程序在典型使用中的負(fù)載模式尤其重要，因?yàn)榫哂休^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(yùn)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(jì)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(jì)人員需要一個(gè)可以提供500 mA電流的轉(zhuǎn)換器，那么尋找能夠管理高達(dá)700 mA的設(shè)備以提供一定的安全裕度是明智的。設(shè)計(jì)人員可能會(huì)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(fù)載會(huì)導(dǎo)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(huì)逐漸降低。工程師不僅要為電壓轉(zhuǎn)換器支付更多費(fèi)用，而且還會(huì)讓消費(fèi)者背負(fù)劣質(zhì)終端產(chǎn)品。