自動增進效率能讓降壓轉換器在較低的輸出電壓下保持高效率

一般來說，降壓 DC/DC 轉換器在輸出電壓設定為較低值時，電源轉換效率也會跟著降低。 舉例而言，12 V 輸入轉 3.3 V 輸出的降壓 DC/DC 轉換器可在滿載時達到超過 90% 的效率。 同樣一個轉換器，在設定為 1.8 V 輸出電壓並搭配類似的輸入特性下，滿載時則提供不到 84% 的效率。  在相同輸入參數下，隨著輸出電壓進一步設定為更低值，效能會繼續衰退。 結果就是，更高的消耗會造成封裝內部的功率耗散增加，而功率耗散產生的熱能也會導致溫度上升。 這並不是我們想要的結果，尤其是在筆電、平板與固態硬碟 (SSD) 等由電池驅動的產品上，更高的工作溫度會干擾產品的效能。

為了因應此問題，Texas Instruments 的工程師開發出新的功率轉換方法，稱為自動增進效率 (AEE)。 這個自行研發的技術能讓降壓 DC/DC 轉換器在輸出電壓設定為較低值時也能保持高效率。 換句話說，可維持高電源轉換效率而不受輸出電壓影響。

效率降低

但在探討 AEE 前，我們先來瞭解導致效率降低的原因。 TI 的應用工程師 Chris Glaser 在其《AEE 為較低輸出電壓的降壓轉換器提升效率》文章¹中，說明了效率低落的原因。 根據 Glaser 的說明，降壓轉換器在設定較低輸出電壓時的效率會降低，直接原因就是輸出功率降低但功率損耗沒有跟著降低。

一般來說，在切換模式電源供應器中，損耗包括切換和導通損耗。 我們都知道，切換損耗會受到輸入電壓、輸出電流以及切換頻率的影響，但導通損耗則由輸出電流和 MOSFET 的導通電阻決定。 因此，輸出電壓並不是造成轉換器整體損耗的因素，但輸出功率（輸出電壓與輸出電流的乘積）則勢必會在相同輸入電壓下但輸出電壓下降時隨之降低。 所以，在相同功率損耗、轉換器設定為較低輸出電壓時，效率勢必會下降，這是因為效率 =（輸出功率）/（輸出功率+損耗）。

根據這篇 TI 的文章，在轉換器設定為較低電壓時降低切換頻率即可減少切換損耗，進而提升效率。 但是，這就必須重新設計輸出濾波器以及迴路補償電路。 Glaser 表示：「這需要更多的設計作業與時間，而且系統若使用不同的輸出電壓電路，就可能需要不同的元件，這反而會增加物料清單 (BOM) 項目。」

動態調適切換頻率

切換頻率的難題可透過 AEE 解決。 根據 TI 的說明，AEE 會自動調整切換頻率以提升轉換效率，而且不會干擾輸出濾波器和迴路補償電路。 Glaser 表示切換頻率會根據輸入和輸出電壓自動調整以增進效率，同時維持控制迴路的穩定性以及輸出濾波器的運作。

簡單來說，為了在整個工作週期 (V_OUT/V_IN) 範圍內保持高效率，AEE 必須確保調整切換頻率，同時將電感漣波電流維持在低值。 參考資料 1 說明了電感漣波電流 (ΔI_L)、切換頻率 (F_SW) 以及工作週期 (D = V_OUT/V_IN) 之間的關係，如下所示：

因此，根據方程式 1，在指定輸入電壓下，輸出電壓有所變化時，AEE 可確保電感漣波電流僅有最小的變化。 這是在輸出電壓設定為較低時，降低切換頻率所達成。

TI 的雙相降壓轉換器 TPS62180/TPS62182 含有 AEE，可在 0.9 V 至 6 V 的可調整輸出範圍內、高達 6 A 輸出電流以及 4 V 至 15 V 輸入電壓範圍下提供高效率。圖 1 是 TPS62180 採用 AEE 和可調式輸出電壓的功能方塊圖。 與 TPS62180 不同的是，TPS62182 屬於固定輸出降壓轉換器產品，具有 AEE 和 3.3 V 固定輸出電壓。

圖 1：TPS62180 採用自動增進效率方法，可在設定為較低輸出電壓時維持降壓 DC/DC 轉換器的高效率。 （資料來源：Texas Instruments）

為了說明 AEE 的運作方式，TI 提供了 TPS62180 的量測結果。 以圖 2 為例，當輸出電壓的設定在指定輸入電壓下從 3.3 V 降低至 0.9 V 時，TPS62180 的切換頻率有所調整。 同樣地，切換頻率也會隨著輸入電壓的變化而有所改變。

圖 2：為了維持高效率，雙相降壓 DC/DC 轉換器 TPS62180 採用自動增進效率方法，依據輸出和輸入電壓調整切換頻率。 （資料來源：Texas Instruments）

同樣地，為了展示 TPS62180 的 AEE 如何影響效率，供應商也在不同的輸入電壓和輸入電壓變化下進行效率的測量。 在兩種不同輸出電壓（3.3 V 和 1.8 V）下測得的效率與輸入電壓情況，如圖 3 和圖 4 所示。 仔細觀察圖表，就可發現在使用 AEE 時，在 1.8 V 的較低輸出、滿載和 12 V 輸入下，效率約為 88%。 在同樣的輸入和 3.3 V 輸出下，效率則約為 92%。這表示兩種輸出下的效率差異在使用 AEE 時有所縮小。 根據 TI 的說明，若沒有 AEE，差異就會更加明顯。

圖 3：TPS62180 雙相降壓 DC/DC 轉換器在採用 AEE 下的效率與輸入電壓關係。 轉換器的輸出電壓為 3.3 V（資料來源：Texas Instruments）

圖 4：TPS62180 雙相降壓 DC/DC 轉換器在採用 AEE 下的效率與輸入電壓關係。 轉換器的輸出電壓為 1.8 V。

總而言之，AEE 有助於 TPS62180 等降壓轉換器在特定轉換器設定為較低輸出電壓時，達到比固定頻率拓撲更高的電源轉換效率。  

若要進一步瞭解此文章所述之產品，請使用提供的連結進入 DigiKey 網站的產品頁面。

參考資料

1. 《AEE 為較低輸出電壓的降壓轉換器提升效率》，作者：Texas Instruments Inc. 應用工程師 Chris Glaser。