降压转换器效率之分析

随着在线语音、视频、游戏和商务等数据密集型活动的普及，对带宽的要求正以前所未有的速度增加。

数据中心的容量也在相应增加，但它们却面临有关电力成本和可用性，以及因计算要求提高而导致热效应不断增加的挑战。

因此，有一点越来越重要，那就是最新型的功率设计必须能高效工作以确保满足带宽要求，并同时减少功耗及发热。

数字功率控制提供了一种增加服务器功率转换效率并简化设计的方法。

采用数字环路控制可设计出更具效率的降压转换器，也能提高各相位的电流容许量。

通过使用一种独特的栅极驱动控制算法的数字控制IC，单相同步降压转换器在低电压下能提供40A的电流。

与现有解决方案相比，此设计方案的效率提高了2%。

改进的降压转换器人们通常认为功率转换器数字方案的效率低于模拟方案的效率，但是新型数字PWM控制器能获得同于或高于传统模拟控制器设计的效率。

与此同时，新型数字PWM控制器还可以扩展其性能界限。

与标准降压转换器不同是，这种设计增加了与第一个功率链并联的第二个功率链(图1)。

这种设计以ZilkerLabs的ZL2005数字功率控制器为基础，仍然是单相IC，但包含第二组MOSFET和第二个电感。

由于采用能调节死区时间控制的栅极驱动控制数学算法，这种设计独特的控制器不但可以优化效率，还可在单相工作状态下输出高电流。

该设计可输出40A电流，高于单相控制通常输出的20A～30A。

这个转换器被设计成将12V输入转换为1.8V或1V输出，输出电流高达40A。

它的主要设计目的是尽可能提高效率，同时保持理想的瞬态特性。

最大输出纹波的目标值为10mV，目标的瞬态响应是在25%电流负载下保持在输出电压的3%以内。

这种双功率链设计允许使用标准的元件，因为多数可用的电感的额定值都是30A。

它也可以使用普通电感。

由于设计针对效率而进行了优化，因此有必要对降压转换器内消耗功率的所有设计点进行审查。

与标准降压转换器设计一样，降压转换器改进后的功率级中的每个元件都会消耗功率。

如何提高高电压输入和低电压输出的电源转换器的效
率详细概述
 问：如何提高高电压输入、低电压输出的电源转换器的效率？
 答：对于需要从高输入电压转换到极低输出电压的应用，有不同的解决方案。

一个有趣的例子是从48 V转换到3.3 V。

这样的规格不仅在信息技术市场的服务器应用中很常见，在电信应用中同样常见。

 图1. 通过单一转换步骤将电压从48 V降至3.3 V
 如果将一个降压转换器(降压器)用于此单一转换步骤，如图1所示，会出现小占空比的问题。

占空比反映导通时间(当主开关导通时)和断开时间(当主开关断开时)之间的关系。

降压转换器的占空比由以下公式定义：
 当输入电压为48 V而输出电压为3.3 V时，占空比约为7%。

这意味着在1 MHz(每个开关周期为1000 ns)的开关频率下，Q1开关的导通时间仅有70。

效率高达96％的开关升降压转换器如今的便携式产品电源设计日渐复杂，它们要求更高的功率、更多的电源轨数量以及更小的板级空间。

针对以上趋势，德州仪器(TI)最新推出业界最小型、最高性能的4A 开关升降压转换器TPS63020，它实现了高达96%的峰值效率和轻负载时的高效率。

该升降压转换器的输入工作电压介于1.8V 至5.5V 之间，输出工作电压介于1.2V 至5.5V 之间。

可在保持出色轻负载效率的同时，将锂离子电池放电至2.5V 或更低。

单电感型2.4MHz TPS63020 转换器采用3mm×4mm×1mm封装，可实现小于100mm2 的完整DC/DC 转换器解决方案，比同类竞争产品节省60%的板级空间。

其典型静态电流为30uA。

具有动态输入电流控制和节电模式，智能电源状态良好指示提高了系统可靠性。

此外，该器件所需的外部组件较少，十分易于设计。

4A 开关升降压转换器TPS63020。

TI 中国区电源产品业务拓展工程师吴涛指出，TPS63020 升降压转换器采用TI 先进的LBC7 BiCMOS 工艺，适合于需要3.3V 电压的电池供电应用，如智能电话、便携式医疗设备、DLP 微型投影仪等，可有效延长电池使用寿命。

它能够在整个负载范围内实现高效率，轻载时的效率可达90%。

TPS63020 的主要特性与优势还包括：高输出电流性能使电池供电设备能够以最高效率生成最大电流。

例如，在典型情况下，降压模式下可生成3.3V电压、3A 电流，升压模式下则可生成3.3V 电压、超过2.0A 的电流；动态输入电流限制可高效保护电路及系统；节电模式可在轻负载下保持高效率；支持单。

浅析影响DC-DC转换器效率的主要因素本文详细介绍了开关电源(SMPS)中各个元器件损耗的计算和预测技术，并讨论了提高开关调节器效率的相关技术和特点，以选择最合适的芯片来达到高效指标。

本文介绍了影响开关电源效率的基本因素，可以以此作为新设计的准则。

我们将从一般性介绍开始，然后针对特定的开关元件的损耗进行讨论。

一、效率估计能量转换系统必定存在能耗，虽然实际应用中无法获得100%的转换效率，但是，一个高质量的电源效率可以达到非常高的水平，效率接近95%.绝大多数电源IC的工作效率可以在特定的工作条件下测得，数据资料中给出了这些参数。

Maxim的数据资料给出了实际测试得到的数据，其他厂商也会给出实际测量的结果，但我们只能对我们自己的数据担保。

图1给出了一个SMPS降压转换器的电路实例，转换效率可以达到97%，即使在轻载时也能保持较高效率。

采用什么秘诀才能达到如此高的效率?我们最好从了解SMPS损耗的公共问题开始，开关电源的损耗大部分来自开关器件(MOSFET和二极管)，另外小部分损耗来自电感和电容。

但是，如果使用非常廉价的电感和电容(具有较高电阻)，将会导致损耗明显增大。

选择IC时，需要考虑控制器的架构和内部元件，以期获得高效指标。

例如，图1采用了多种方法来降低损耗，其中包括：同步整流，芯片内部集成低导通电阻的MOSFET，低静态电流和跳脉冲控制模式。

我们将在本文展开讨论这些措施带来的好处。

图1. MAX1556降压转换器集成了低导通电阻的MOSFET，采用同步整流，可以达到95%的转换效率，效率曲线如图所示。

二、降压型SMPS损耗是任何SMPS架构都面临的问题，我们在此以图2所示降压型(或buck)转换器为例进行讨论，图中标明各点的开关波形，用于后续计算。

图2.通用降压型SMPS电路和相关波形，对于理解SMPS架构提供了一个很好的参考实例。

降压转换器的主要功能是把一个较高的直流输入电压转换成较低的直流输出电压。

直流电降压转换效率1. 前言随着现代社会的发展，电力供应已成为我们日常生活和工业生产中必不可少的一部分。

在电力供应中，直流电降压是一个必需的过程，因为较高的电压通常需要转换成可控制的低电压以供各种电子设备使用。

一个有效的直流电降压转换是保证设备正常工作的基础，而转换效率则是决定其节能性和可靠性的关键指标。

2. 什么是直流电降压转换效率？直流电降压转换效率是指输入电能与输出电能之间的比率，也就是说，它是通过将输入电压转换为更低的电压来实现电能转换时的效率。

例如，如果输出电能为8W，输入电能为10W，那么转换效率就是0.8或80%。

转换效率通常是以百分数表示的，计算公式如下：转换效率（%）= 输出电能÷ 输入电能×100%3. 直流电降压转换效率的重要性转换效率不仅是衡量直流电降压转换器性能的关键指标，而且在能源节约和环保方面也发挥着重要作用。

较高的转换效率意味着更低的能源损耗和更少的能源浪费，从而减少对环境的负面影响。

此外，转换效率还决定了转换器的耗电量和温度。

高效率可以降低器件的温度，从而延长器件寿命，降低热损耗并减少故障率。

4. 直流电降压转换器的构造直流电降压转换器通常由以下三个部分组成：（1）电源电容：负责在输入电压下维持稳定的电位。

（2）开关器：将输入电压从高到低转换。

（3）控制电路：根据输入电压的变化自动调整开关器的开关时间，以确保输出电压恒定不变。

5. 如何提高直流电降压转换效率？为了提高直流电降压转换效率，我们必须采取以下几个措施：（1）使用高效的开关器件：当开关时，它不会在开和关之间花费大量的时间。

如：MOSFET。

（2）评估电容：评估电容的额定电压应与输入电流电压相同或超过。

这有助于防止电容在工作过程中产生损耗或膨胀。

（3）选择正确的电感：功率传输过程中，电感能够吸收一部分的转换能量。

选择正确的电感有助于提高转换效率。

（4）减少电流负载：当电流负载过大时，转换效率就会降低。

降压型dcdc转换器工作原理(一)降压型DC-DC转换器工作原理解析介绍降压型DC-DC转换器是一种重要的电源转换器，可将高电压转换为低电压。

它在电子设备中广泛应用，如手机、笔记本电脑等。

本文将从浅入深解释降压型DC-DC转换器的工作原理。

DC-DC转换器的基本概念1.什么是DC-DC转换器？–DC-DC转换器是一种用于将直流电压转换为不同电压级别的电路。

–这种转换器由开关元件、电感元件和滤波电容组成。

2.为什么需要DC-DC转换器？–电子设备的不同模块通常需要不同的电压供应，而电源只能提供固定的电压。

–DC-DC转换器可实现将电源提供的电压转换为各模块所需的电压。

降压型DC-DC转换器工作原理1.什么是降压型DC-DC转换器？–降压型DC-DC转换器是一种将高电压转换为低电压的转换器。

–它通过周期性开关与断开电源输入以控制输出电压。

2.降压型DC-DC转换器的工作原理–当开关元件断开时，电感元件会储存电能，电容元件则提供电流给负载。

–当开关元件闭合时，电感中存储的能量被释放，将电流传递给负载。

–通过调整开关的频率和占空比，可以控制输出电压的稳定性。

3.降压型DC-DC转换器的优点–高效性：降压型转换器能以高效率将电源提供的电能传递给负载，减少能量损失。

–稳定性：通过控制开关的频率和占空比，可以保持输出电压的稳定性。

–可调性：降压型转换器可通过调整控制参数，实现输出电压的调节。

总结降压型DC-DC转换器是将高电压转换为低电压的关键电源转换器。

它通过周期性地开关和断开电源输入，控制输出电压的稳定性。

降压型转换器具有高效性、稳定性和可调性的优点，在电子设备中发挥着重要作用。

•介绍–DC-DC转换器的基本概念•什么是DC-DC转换器？•为什么需要DC-DC转换器？–降压型DC-DC转换器工作原理•什么是降压型DC-DC转换器？•降压型DC-DC转换器的工作原理•降压型DC-DC转换器的优点•总结注意： - 请适度使用加粗、斜体等其他Markdown格式。

解决降压DC/DC转换器保持高能效的方案传统上，在降压DC/DC 转换器中，在将输出电压配置为较低值时，功率转换效率也会降低。

例如，对于12 V 输入转 3.3 V 输出的降压DC/DC 转换器，在满载时可以提供90% 以上的能效。

同样的转换器，当输出电压配置为1.8 V 时，即使采用类似的输入特征，在满载时也只能实现低于84% 的能效。

随着进一步将输出电压配置为更低的值，相同的输入参数获得的性能也会持续降低。

结果就是，因为更高的损耗而在封装内产生更多的功率耗散，从而造成温度升高。

这不是我们所期望的，特别是用在象笔记本电脑、平板电脑和固态驱动器(SSD) 之类电池供电产品中，因为高工作温度会干扰产品性能。

为解决这一问题，Texas Instruments 的工程师们开发出了一种称作“能效自动增强”或“AEE”的新型功率转换方法。

即使将输出电压配置得很低，这一专有技术也能让降压DC/DC 转换器保持高能效。

换言之，不管输出电压如何变化，功率转换效率始终保持高水平。

能效下降但是在介绍AEE 前，让我们先看看是什么造成能效下降。

TI 的应用工程师Chris Glaser 在其《AEE 提升了较低输出电压降压转换器的能效》一文中解释了这种效率下降的原因。

据Glaser 所述，配置较低的输出电压下导致降压转换器能效下降的直接原因是，输出功率降低了，功耗却没有相应减少。

在开关模式电源中，功耗一般包括开关损耗和传导损耗。

众所周知，开关损耗取决于输入电压、输出电流和开关频率，而传导损耗则由输出电流和MOSFET 的导通电阻决定。

因此输出电压不是转换器整体损耗的影响因素，但输入电压相同时，输出功率，即输出电压与输出电流的乘积，肯定会随输出电压下降而下降。

所以功耗相同时，能效必然会随转换器配置的输出电压下降而下降，因为“能效=(输出功率)/(输出功率+ 损耗)”。

现在，依据TI 的这篇文章，开关损耗可以通过降低转换器配置为低电压时的开关频率来减少，从而提升能效。

对于将高电压输入转换成低电压输出的电源转换器，
该如何提高效率
 对于将高电压输入转换成低电压输出的电源转换器，该如何提高效率？答案是，对于要求从高输入电压转换成极低输出电压的各种应用，业界目前发展出许多不同的解决方案。

其中一个例子，就是从48伏特转换成3.3伏特。

这样的降压规格常见于信息科技领域的服务器，以及各种电信应用。

 图1 仅透过一个转换步骤就从48伏特转换成3.3伏特。

 如果在这种单一转换步骤中使用降压转换器(buck)，如图1所示，就会出现工作周期偏低的问题。

工作周期(duty cycle)是指运行时间(主开关开启)与关闭时间(主开关关闭)之间的比值。

降压转换的工作周期是透过以下的公式计算而出：。

题目： Buck变换器工作原理分析与总结目录一、关于Buck变换器的简单介绍 (2)1、Buck变换器另外三种叫法 (2)2、Buck变换器工作原理结构图 (2)二、Buck变换器工作原理分析 (3)1、Buck变换器工作过程分析 (3)2、Buck变换器反馈环路分析 (4)3、Buck变换器的两种工作模式 (4)1）Buck变换器的CCM工作模式 (5)2）Buck变换器的DCM工作模式 (6)3）Buck变换器CCM模式和DCM模式的临界条件 (7)4）两种模式的特点 (8)4、Buck变换器电感的选择 (8)5、Buck变换器输出电容的选择和纹波电压 (9)三、Buck变换器工作原理总结 (10)Buck 变换器工作原理分析与总结一、关于Buck 变换器的简单介绍1、Buck 变换器另外三种叫法1. 降压变换器：输出电压小于输入电压。

2. 串联开关稳压电源：单刀双掷开关（晶体管）串联于输入与输出之间。

3. 三端开关型降压稳压电源：1) 输入与输出的一根线是公用的。

2) 输出电压小于输入电压。

2、Buck 变换器工作原理结构图GabcWMV Gd图1. Buck 变换器的基本原理图由上图可知，Buck 变换器主要包括：开关元件M1，二极管D1，电感L1，电容C1和反馈环路。

而一般的反馈环路由四部分组成：采样网络，误差放大器（Error Amplifier ，E/A ），脉宽调制器（Pulse Width Modulation ，PWM ）和驱动电路。

二、Buck 变换器工作原理分析1、Buck 变换器工作过程分析图2. Buck 变换器的工作过程为了便于对Buck 变换器基本工作原理的分析，我们首先作以下几点合理的假设：1) 开关元件M1和二极管D1都是理想元件。

它们可以快速的导通和关断，且导通时压降为零，关断时漏电流为零；2) 电容和电感同样是理想元件。

电感工作在线性区而未饱和时，寄生电阻等于零。

同步降压式DC/DC转换器能够最大限度地提高降压转换效率的原因及其使用在包括汽车、工业自动化、电信、计算机、白色家电和消费电子在内的各种系统中，将高母线电压降至较低电压，从而为IC和其他负载供电的需求越来越大。

设计者面临的挑战是，如何以最高的效率、最小的热负荷、低成本以及尽可能小的解决方案尺寸来实现这种降压转换。

传统的异步降压转换器提供了一种潜在的低成本解决方案，但其转换效率较低，不能满足许多电子系统的需求。

设计者可以利用同步DC/DC转换器和同步DC/DC控制器来开发紧凑型高效率解决方案。

本文简要介绍了电子系统对高效DC/DC转换的性能要求，并回顾了异步和同步DC/DC转换器的区别。

然后，介绍来自Diodes,Inc、STMicroelectronics和ON Semiconductor的几种同步DC/DC 转换器设计方案，以及评估板和设计指南。

这些方案有助于快速启动高效率解决方案的开发。

为什么需要同步DC/DC转换器？所有类型电子系统对效率要求的都越来越高，而且复杂性也在不断提高，这就促使电源系统架构和电源转换拓扑也在相应地向前发展。

随着越来越多的独立电压域能够支持日益增多的功能，分布式电源架构(DPA)在愈来愈多的电子系统中得到了应用。

DPA并没有采用多个隔离电源来驱动不同的负载，而是仅包含一个用于产生相对较高配电电圧的隔离式AC/DC电源，以及多个较小的降压转换器。

其中，降压转换器用于根据每个负载的要求，将配电电压将至较低的水平（图1）。

采用多路降压转换器的优势在于体积小、效率高、性能优。

选择异步还是同步降压转换器时，需要在成本和效率之间进行权衡。

如果需要成本最低的解决方案，其可以同时接受较低的效率和较高的热负载，则异步降压方案可能是首选。

另一方面，如果优先考虑效率并希望采用发热更少的运行方案，那么成本更高的同步降压转换器通常是更优的选择。

同步与异步降压转换器的比较典型的异步降压转换器应用如图2所示。