AEE - новая технология повышения КПД понижающих преобразователей при малых выходных напряжениях

Журнал РАДИОЛОЦМАН, апрель 2015

Chris Glaser

Electronic Design

Новый метод преобразования энергии, получивший название автоматическое повышение КПД (automatic efficiency enhancement – AEE), при низких выходных напряжениях увеличивает эффективность источников питания в таких устройствах, как планшеты, серверы и твердотельные накопители.

Проблема, с которой сталкиваются все разработчики источников питания, связана со сложностью получения высокого КПД понижающих преобразователей при низких выходных напряжениях. К примеру, при выходном напряжении 3.3 В и максимальном токе нагрузки источник питания может иметь КПД, равный 91%, в то время как при 1.8 В – лишь 84%. Такое снижение КПД становится причиной повышения рабочих температур. А для портативных систем это приводит еще и к перерасходу энергии батареи. Очевидно, что рост рабочих температур или сокращение срока службы батареи крайне нежелательны для пользователей планшетов, серверов или твердотельных накопителей, в которых содержатся такие источники питания.

Для того, чтобы поддерживать высокую эффективность независимо от выходного напряжения, нужен новый способ преобразования энергии. Один из таких методов – AEE (automatic efficiency enhancement – автоматическое повышение КПД) – в подобных системах способен обеспечить более высокий КПД при низких выходных напряжениях.

Почему падает КПД?

Падение КПД напрямую связано с уменьшением количества выходной мощности, не сопровождающимся пропорциональным снижением потерь. Потери в понижающем преобразователе делятся на потери переключения и потери проводимости. Потери переключения зависят преимущественно от входного напряжения, выходного тока и рабочей частоты. Потери проводимости в основном определяются выходным током и сопротивлением MOSFET. Из-за малого вклада выходного напряжения в общий баланс потерь потери не уменьшаются в той же степени, в какой падает выходная мощность.

При снижении напряжения выхода уменьшается выходная мощность, равная произведению тока нагрузки на выходное напряжение. Ввиду того, что КПД определяется как выходная мощность, деленная на сумму выходной мощности и потерь, уменьшение выходной мощности при неизменных потерях приводит к снижению КПД.

Например, источник питания с выходным напряжением 3.3 В и током нагрузки 6 А при потерях 2 Вт имеет КПД 91%. Если же на выходе того же источника установить напряжение 1.8 В, потери останутся примерно на прежнем уровне 2 Вт. В результате из-за уменьшения выходной мощности КПД снизится до 84%. А при выходном напряжении 0.9 В и тех же потерях 2 Вт КПД составит лишь 73%. В связи с тем, что в приведенном сравнении частота переключения, сопротивления MOSFET, выходной ток и входное напряжение оставались постоянными, в первом приближении можно считать, что потери также не менялись, и КПД упал на 7% и 18%, соответственно.

Два способа увеличения КПД

Значения входного напряжения и выходного тока определяются заданными характеристиками системы и нагрузки и не могут быть изменены. Чтобы повысить КПД своего устройства при пониженных входных напряжениях, разработчикам источников питания остается либо снижать частоту переключения, либо подбирать MOSFET с более низкими сопротивлениями открытого канала.

Возможности изменить значения сопротивлений MOSFET разработчики не имеют, поскольку в современных понижающих преобразователях MOSFET как верхнего, так и нижнего плеча интегрированы в микросхему. Хотя, в принципе, возможно использование несколько микросхем понижающих преобразователей, каждая из которых оптимизирована для определенного выходного напряжения, это очень непрактично с точки зрения конструкции микросхем. Поэтому таких приборов на рынке практически нет. Кроме того, подобный подход привел бы к расширению номенклатуры используемых ИС, что сделало бы конструкцию системы более сложной, а стоимость более высокой.

Снижение рабочей частоты уменьшает потери переключения и улучшает КПД. Во многих интегральных понижающих преобразователях предусмотрена возможность регулировки частоты. Однако изменение частоты переключения обычно влечет за собой необходимость перерасчета выходного фильтра и цепи частотной коррекции петли обратной связи. Это увеличивает сложность и время разработки и, с большой вероятностью, требует использования индивидуального набора компонентов для каждого выходного напряжения в системе. И, опять же, это приводит к росту затрат на комплектующие.

Интеллектуальная подстройка частоты переключения с помощью AEE

Без какого-либо вмешательства разработчика AEE подстраивает частоту переключения таким образом, чтобы поддерживать высокий КПД при постоянных параметрах выходного фильтра и петли обратной связи. Частота переключения автоматически изменяется в соответствии с измеренными значениями входного и выходного напряжений, что позволяет максимизировать КПД без потери устойчивости контура управления и эффективности выходного фильтра. При этом не требуется устанавливать частоту в определенную рабочую точку, оптимизированную для конкретных режимов схемы – частота сама динамически подстраивает себя в процессе работы. На Рисунке 1 показаны зависимости частоты переключения от напряжения на входе, изменяющегося в диапазоне от 6 до 15 В, при выходных напряжениях 3.3, 1.8 и 0.9 В и токе нагрузки 6 А.

Рисунок 1.	В двухфазном понижающем преобразователе TPS62180 для адаптации частоты переключения под входное и выходное напряжения используется AEE.

При снижении выходных напряжений частота переключения уменьшается, чтобы поддерживать соответствующее количество импульсов тока в индуктивности. В наиболее распространенных микросхемах понижающих преобразователей с ограничением пикового тока доступный выходной ток микросхемы определяется пиковым током катушки индуктивности.

Если уровень ограничения тока зафиксирован внутри микросхемы, пиковый ток индуктивности при максимальном выходном токе должен оставаться ниже этого порогового уровня. Поскольку пиковый ток индуктивности равен выходному току плюс половине импульсного тока индуктивности, импульсный ток должен поддерживаться на достаточно низком уровне. В противном случае ограничение тока наступает слишком рано, и микросхема не может отдавать требуемый выходной ток.

При снижении выходных напряжений импульсный ток индуктивности уже уменьшен до значения, определяемого Уравнением 1

(1)

где

V_OUT – выходное напряжение,
V_IN – входное напряжение,
L – индуктивность катушки,
F_SW – частота переключения.

Вследствие этого сокращения частота переключения также уменьшается с понижением выходных напряжений, увеличивая импульсный ток и возвращая его к разрешенному уровню. На Рисунке 2 представлены зависимости пульсаций тока от входного напряжения, рассчитанные на основании частотных зависимостей из Рисунка 1 и Уравнения 1.

Рисунок 2.	При заданном входном напряжении AEE обеспечивает независимость пульсаций выходного тока от выходного напряжения.

В заданной рабочей точке ток пульсаций практически не зависит от выходного напряжения. AEE обеспечивает это снижением частоты по мере уменьшения выходных напряжений. Такое снижение сужает разрыв в КПД, возникающий при уменьшении выходного напряжения. Рисунок 3 иллюстрирует влияние AEE на КПД преобразователя.

Рисунок 3.	Благодаря функции AEE КПД двухфазного понижающего преобразователя в меньшей степени зависит от снижения выходных напряжений.

Из-за того, что частота снижается вслед за выходным напряжением, уменьшаются потери переключения, а это, в свою очередь, сокращает и общие потери. Соответственно, увеличивается КПД – в отличие от большинства топологий преобразователей энергии, в которых для любых выходных напряжений поддерживается постоянная рабочая частота.

Заключение

В таких понижающих DC/DC преобразователях, как TPS62180, при низких выходных напряжениях AEE обеспечивает более высокий КПД, чем понижающие преобразователи с фиксированной рабочей частотой. Благодаря AEE высокий КПД, равный 91% при выходном напряжении 3.3 В, остается высоким и при более низких напряжениях: 87.5% при выходном напряжении 1.8 В и 82% – при 0.9 В. Эти цифры означают, что по сравнению с фиксированной частотой преобразования выигрыш составил 3.5% и 9%, соответственно. Столь значительное улучшение эффективности имеет большое значение и для портативных устройств, таких как планшетные компьютеры, и для устройств, особо чувствительных к температуре, например, для серверов и твердотельных накопителей.

Материалы по теме

1. Datasheet Texas Instruments TPS62180, TPS62182