如何根据负载模式与峰值效率选择合适的电压转换器

开关DC/DC电压转换器很受欢迎，因为它们可以提供超过90％的高效电源转换。当输入功率非常高并且难以散热时（工程师设计紧凑型便携式产品的常见挑战），这是一个优势。

由于关键电源组件制造商提供的产品在规格表中看起来几乎相同，因此工程师很容易从满足其产品一般要求的候选名单中选择具有最高峰值效率的开关转换器。然而，这将是一个错误，因为明显相同的转换器可以提供明显不同的性能。

本文考虑了功率耗散和相关热量上升的主要影响，效率差异只有几个百分点。然后，本文将讨论如何根据负载模式，具有较低峰值效率但效率更平坦的转换器，对于特定应用而言，它可能是更好的选择。

小心功率损耗

高效的电压转换器是电子设计界的热门话题，因为设计人员面临着降低功耗的压力。对于电池供电设备的设计者来说，挑战显而易见：在提供良好功能的同时最大化电池寿命。不太明显但仍然是一个主要问题是，主电源设备的设计者需要满足各种国家和国际法规要求最低供应效率。

好消息是，由于设计越来越巧妙，现代转换器的开关和磁性元件的高性能（参见TechZone文章“电感器在完成基于功率模块的解决方案中的作用”），它不是很难找到能够提供85％到95％峰值效率的转换器。与过去的线性稳压器相比，这是一个相当大的改进，它只能为输出端子提供大约60％的输入功率（尽管现代低压差（LDO）产品的性能要好得多 - 请参阅TechZone文章“了解优点和缺点”）线性稳压器“）。

凭借来自多家芯片供应商的各种电源的出色性能，在几个百分点的效率上狡辩是一件好事。然而，虽然指定效率稍低的较便宜的转换器可能看起来是一个好的决定，但购买价格只是所有权成本的一部分。虽然制造商不必承担这些运行成本，但是以惊人的速度吃电池的产品几乎不会提高制造商在客户眼中的声誉。

为了说明几个百分点的效率有多重要，可以考虑两个电压转换器，效率分别为90％和85％。

电压转换器的效率公式为：

（输出功率/输入功率）x 100 =效率（％）

电压转换器的功率损耗为：

（输出功率/效率） - 输出功率=功率损耗（W）

考虑使用德州仪器（TI）的LM2623等电压转换器。这是一款2 MHz升压开关稳压器，具有0.8至14 V输入和1.24至14 V输出。从数据表中可以看出，峰值效率为90％，VIN = 4.2 V，VOUT = 5 V，负载为300 mA。因此，该工作点的输出功率为1.5 W.

该器件的功率损耗为：

（1.5 W/0.90） - 1.5 W = 166 mW

将此与相同的电压转换器进行比较相同的工作条件，但效率为85％：《br》（1.5 W/0.85） - 1.5 W = 264 mW

效率较低的电压转换器几乎耗散了100 mW。

两个相似的电压转换器之间的效率差异很小，从而增加了显着的额外功率损耗。虽然看起来只有5％的差异对性能的影响可以忽略不计，但实际情况却截然不同。效率较低的转换器将不断需要更多的输入功率来维持与替代设备相同的输出。随着时间的推移，恒定的额外电流会增加许多昂贵的能量。几毫瓦的功率损耗可导致温度上升超过几摄氏度（图1）。热量是硅芯片的最大杀手，仅增加10oC就可能使平均故障间隔时间（MTBF）减半。

图1：过热导致早期产品故障。

因此，在开关DC/DC电压转换器选择过程中开始的一个好处是，可以在材料清单（BOM）中提供最高效率的器件。但这远不是完整的故事。

开关转换器效率曲线

开关电压转换器的效率曲线不是平坦的，而是在低负载和高负载时显着降低。图2显示了开关转换器的典型效率曲线通常如何分为三个区域。 （之前的TechZone文章“在低负载期间限制开关DC/DC转换器低效率的技术”解释了效率在负载范围内变化的原因。）

图2：DC/DC转换器的典型效率曲线。

由于开关DC/DC转换器全部采用类似的拓扑结构制造，金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）用于开关操作，而紧凑型磁性元件用于储能，因此大多数现代器件的效率曲线具有相似的形状。

信誉良好的功率芯片供应商在不同的输入和输出电压下为其产品提供效率与负载图。硅负载点（PoL）电压转换器通常具有效率“最佳点”，约为其全电流额定值的50％至70％。

例如，图3显示了飞兆半导体的FAN4860升压（‘升压’）开关DC/DC电压转换器的负载电流与效率关系图。该器件采用3 MHz同步芯片，可在2.3至4.5 V的输入电压范围内工作，并提供3.3或5 V的固定输出。最大负载电流（VIN = 3.3 V，VOUT = 5 V）为300 mA。从图3中可以看出，在这些工作条件下，该芯片的最佳负载约为200 mA，效率峰值约为88％。输入电压升至4.5 V，效率提升至94％左右。

图3：飞兆半导体FAN4860电压转换器的效率曲线。

跟踪负载曲线

上述示例对于要求在5 V下恒定200 mA的产品是一个很好的解决方案。但是，在实践中，产品很少在恒定负载下运行。选择电压调节器时，设计人员必须检查产品的功率需求如何改变负载曲线上的操作点。

考虑以下比较。图4显示了安森美半导体NCP1421 1.2 MHz升压转换器的效率曲线，该转换器能够提供高达600 mA的电流（VIN = 2.5 V，VOUT = 3.3 V）。同样，图5显示了凌力尔特公司LTC3526 1 MHz升压转换器的效率曲线，该转换器能够从2.4 V输入和高达5.25 V输出提供550 mA电流。 （在这种情况下，输出电压也是3.3 V.）

图4：安森美半导体NCP1421 1.2 MHz升压转换器的效率曲线。

图5：Linear Technology LTC3526 1 MHz升压转换器的效率曲线。

让我们假设设计人员希望为使用2.4至2.5 V输入需要3.3 V输出的应用选择最佳电压转换器。在这些工作条件下，安森美半导体器件的峰值效率达到95％（负载为60 mA），凌力尔特公司的芯片峰值功率达到93％（负载为90 mA）。前者似乎是绘制恒定60 mA应用的最佳选择，但对于要求可变负载的产品，事情则不那么明确。例如，在10 mA负载下，LTC3526的运行效率超过90％，而NCP1421则降至87％。然而，在高负载（例如300 mA）下，NCP1421的效率为92％，而LTC3526的效率为87％。

适用于此应用的电压调节器的正确选择取决于最终产品的负载模式。对于大部分时间在高负载（70 mA以上）下使用的产品，LTC3526将是最佳选择，因为它在该工作区域更有效。但是，如果占空比确定应用将在低负载（低于20 mA）下花费大量时间，那么NCP1421可能是更好的选择。

便携式设备设计人员尤其应该密切关注电压转换器在低负载时的性能，因为许多电池供电设备在待机或睡眠模式下花费大量时间以在不使用时节省电力。在这些低电流下，开关转换器效率相对较低，并且可以抵消设计者希望通过在不使用时将产品切换到低功率模式而实现的一些功率节省。

当预算紧张时，确定应用程序在典型使用中的负载模式尤其重要，因为具有较高峰值效率的产品通常更昂贵。但是，如果电压转换器很少或从未在其峰值效率附近运行，那么额外的成本可能是资金减少。

出于类似的原因，设计人员不应过度指定电压转换器，以提高效率。例如，如果设计人员需要一个可以提供500 mA电流的转换器，那么寻找能够管理高达700 mA的设备以提供一定的安全裕度是明智的。设计人员可能会选择1 W电压转换器，这是基于它可以满足规范但提供更高安全裕度的假设。但是，产品的工作负载会导致额定电压较高的电压转换器在效率曲线的较低区域发挥作用，而性能会逐渐降低。工程师不仅要为电压转换器支付更多费用，而且还会让消费者背负劣质终端产品。