對于將高電壓輸入轉(zhuǎn)換成低電壓輸出的電源轉(zhuǎn)換器，該如何提高效率？答案是，對于要求從高輸入電壓轉(zhuǎn)換成極低輸出電壓的各種應用，業(yè)界目前發(fā)展出許多不同的解決方案。其中一個例子，就是從48伏特轉(zhuǎn)換成3.3伏特。這樣的降壓規(guī)格常見于信息科技領域的服務器，以及各種電信應用。

 

圖1 僅透過一個轉(zhuǎn)換步驟就從48伏特轉(zhuǎn)換成3.3伏特。

 

如果在這種單一轉(zhuǎn)換步驟中使用降壓轉(zhuǎn)換器(buck)，如圖1所示，就會出現(xiàn)工作周期偏低的問題。工作周期(duty cycle)是指運行時間(主開關開啟)與關閉時間(主開關關閉)之間的比值。降壓轉(zhuǎn)換的工作周期是透過以下的公式計算而出：

 

 

根據(jù)其輸入電壓為48伏特(V)，輸出電壓為3.3伏特，計算出其工作周期約為7%。這代表在1MHz(每個切換周期1,000奈秒(ns))的切換頻率下，Q1切換開關僅有70奈秒的時間是在開啟(ON)狀態(tài)。對于這樣的電路，通常會選用切換開關穩(wěn)壓器來讓啟動時間維持在70奈秒以下。但如果選用這樣的組件，也會衍生出另一個挑戰(zhàn)。

 

功率轉(zhuǎn)換效率極高的降壓穩(wěn)壓器如果在非常短的工作周期運作，其轉(zhuǎn)換效率就會下滑，這是因為能夠用來將電力儲存到電感的時間變得非常少。系統(tǒng)需要透過電感組件在極長的關閉狀態(tài)提供運作所需的電力。因此這樣的設定通常會導致電路的尖峰電流變得極高。為了降低這些尖峰電流，L1的電感必須拉高，這是因為在啟動狀態(tài)時，L1會經(jīng)歷很高的電壓差，如圖1所示。

 

在這個例子中，可觀察到在啟動狀態(tài)時有大約44伏特的電經(jīng)過電感，48伏特在開關節(jié)點一側(cè)，3.3伏特在輸出側(cè)。電感的電流可用以下公式算出:

 

 

如果有一個高電壓經(jīng)過電感，在一段固定時間內(nèi)電流會升高，而電感值則維持固定。要降低電感的尖峰電流，就必須選用更高的電感值，然而更高的電感值卻會拉高功率耗損。在上述這些電壓條件下，Analog Devices的一款高效率LTM8027 µModule穩(wěn)壓器能在4安培的輸出電流下達到80%的電源效率。

 

圖2 在2個步驟下電壓從48伏特轉(zhuǎn)換成3.3伏特，過程中還用到一個12伏特的中間電壓。

 

在提高電源效率方面，業(yè)界目前經(jīng)常使用且更有效率的一種電路解決方案，就是產(chǎn)生一個中間電壓(intermediate voltage)。將兩個高效率降壓穩(wěn)壓器重疊配置，如圖2所示。在第一個步驟中，48伏特電壓降到12伏特，之后在第二步驟再降到3.3伏特。而µModule穩(wěn)壓器在從48伏特降至12伏特時，轉(zhuǎn)換效率超過92%。從12伏特降到3.3伏特的第二步驟，用的則是LTM4624，其轉(zhuǎn)換效率達到90%，總電源轉(zhuǎn)換效率則達到83%，這比圖1所示的直接轉(zhuǎn)換方法要高出3%。

 

這個結(jié)果很讓人驚訝，因為3.3伏特的輸出電源必須經(jīng)過兩個獨立的切換穩(wěn)壓器電路。圖1所示電路的效率比較低，因為其工作周期較短且形成高電感尖峰電流所致。

 

在比較單步驟降壓架構(gòu)，以及中間緩沖型總線架構(gòu)時，還得考慮電源效率以外的許多因素。但本文僅探討電源轉(zhuǎn)換效率的幾項重點。解決這項基本問題其中一種解決方案，就是新推出的LTC7821，這款混合式降壓控制器結(jié)合了充電泵，以及降壓穩(wěn)壓器的功能，讓工作周期變成VIN/VOUT 比值的2倍，因此能在極高的電源轉(zhuǎn)換效率下達到極高的降壓比。

 

中間電壓的生成，對于提高電源供應器的整體轉(zhuǎn)換效率非常管用。業(yè)界對于這類極短工作周期致力提轉(zhuǎn)換效率方面，已累積可觀的進展，如圖1所示，像是采用速度極快的氮化鎵(GaN)切換開關，協(xié)助降低切換損耗，進而提高電源轉(zhuǎn)換效率。不過這類解決方案目前的成本都高于圖2所示的重疊配置解決方案。








推薦閱讀：


一文了解智能駕駛核心激光雷達 
低功耗CPU是怎樣煉成的？ 
詳細解析電源電路中變壓、整流、濾波電路 
物聯(lián)網(wǎng)無線技術(shù)藍牙和WiFi的區(qū)別有哪些？ 
一種X波段非接觸式C形微帶探針設計