對於將高電壓輸入轉換成低電壓輸出的電源轉換器,該如何提高效率?答案是,對於要求從高輸入電壓轉換成極低輸出電壓的各種應用,業界目前發展出許多不同的解決方案。其中一個例子,就是從48伏特轉換成3.3伏特。這樣的降壓規格常見於資訊科技領域的伺服器,以及各種電信應用。

20180130TA02P1 圖1 僅透過一個轉換步驟就從48伏特轉換成3.3伏特。

如果在這種單一轉換步驟中使用降壓轉換器(buck),如圖1所示,就會出現工作週期偏低的問題。工作週期(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。降壓轉換的工作週期是透過以下的公式計算而出:

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根據其輸入電壓為48伏特(V),輸出電壓為3.3伏特,計算出其工作週期約為7%。這代表在1MHz(每個切換週期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。對於這樣的電路,通常會選用切換開關穩壓器來讓啟動時間維持在70奈秒以下。但如果選用這樣的元件,也會衍生出另一個挑戰。

功率轉換效率極高的降壓穩壓器如果在非常短的工作週期運作,其轉換效率就會下滑,這是因為能夠用來將電力儲存到電感的時間變得非常少。系統需要透過電感元件在極長的關閉狀態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時,L1會經歷很高的電壓差,如圖1所示。

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

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如果有一個高電壓經過電感,在一段固定時間內電流會升高,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穩壓器能在4安培的輸出電流下達到80%的電源效率。

20180130TA02P2 圖2 在2個步驟下電壓從48伏特轉換成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,業界目前經常使用且更有效率的一種電路解決方案,就是產生一個中間電壓(intermediate voltage)。將兩個高效率降壓穩壓器重疊配置,如圖2所示。在第一個步驟中,48伏特電壓降到12伏特,之後在第二步驟再降到3.3伏特。而µModule穩壓器在從48伏特降至12伏特時,轉換效率超過92%。從12伏特降到3.3伏特的第二步驟,用的則是LTM4624,其轉換效率達到90%,總電源轉換效率則達到83%,這比圖1所示的直接轉換方法要高出3%。

這個結果很讓人驚訝,因為3.3伏特的輸出電源必須經過兩個獨立的切換穩壓器電路。圖1所示電路的效率比較低,因為其工作週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,以及中間緩衝型匯流排架構時,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合了充電泵,以及降壓穩壓器的功能,讓工作週期變成VIN/VOUT 比值的2倍,因此能在極高的電源轉換效率下達到極高的降壓比。

中間電壓的生成,對於提高電源供應器的整體轉換效率非常管用。業界對於這類極短工作週期致力提轉換效率方面,已累積可觀的進展,如圖1所示,像是採用速度極快的氮化鎵(GaN)切換開關,協助降低切換損耗,進而提高電源轉換效率。不過這類解決方案目前的成本都高於圖2所示的重疊配置解決方案。