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最佳化電源供應設計是低耗電 應用提供最長電池壽命的重要關鍵。這類設計的首要步驟是選擇正確的電源供應架構，其次是瞭解這些架構有那些特點可供最佳化。本文將以高效率和精巧型電源供 應最常採用的電感式直流電 源轉換器為例討論這些因素。

在所有電源供應設計中，線性穩壓器是產生穩定電壓輸出的最 簡單電路。圖1為線性穩壓器的基本架構圖，這個簡單的電路可說是成本最低的解決方案，它會改變通路元件的功耗來調整輸出電壓。此處的通路元件是一顆 MOSFET電晶體。

圖1：線性穩壓器結構圖

先進線性穩壓器的電流消耗通常很小，其 效率主要由輸出電壓與輸入電壓比值決定。這表示線性穩壓器在輸出電壓與輸入電壓很接近時效率會很高，有時甚至超過90%。

唯有交換式電 源供應架構才能在很大的輸入電壓範圍內提供高轉換效率。這類架構基本上是由儲能元件(通常是電感)、主動開關元件和被動開關元件組成。主動開關元件導通後 會將電能儲存至電感，等到截止時再透過被動開關元件將電能傳送到輸出電容。這三種元件如圖2所示有多種組合方式，其電路功能各自不同。

圖 2a是降壓轉換器結構圖，它和線性穩壓器一樣都會產生低於輸入電壓的輸出電壓，區別在於它還能用來產生比輸入電壓還高的輸出電壓(圖 2b)或是產生與輸入電壓極性相反的輸出電壓(圖2c)。

圖 2：降壓轉換器(a)；升壓轉換器(b)；升降壓轉換器(c)

這類電 源轉換器只要再增加主動開關或被動開關等其它零件，就能提供高於或低於輸入電壓的輸出電壓，圖3就是一個例子。

圖3：升降壓轉換器結構圖

在圖4所示的SEPIC轉換器中增 加電感或電容等被動零件也能得到相同結果。

圖4：SEPIC轉換器結構圖

前述轉換器的電源轉換效率會受 到多種因素影響，例如它們的控制電路都會消耗電流，甚至線性穩壓器也不例外。耗電最佳化的轉換器常將控制電路的操作電流限制在100μA以下，故只有在輸 出電流很小時才會對整體效率產生顯著影響。線性穩壓器的效率等於輸出電壓與輸入電壓之比，直流轉換器的效率分析則因為有多項因素需要考慮而較複雜，其中最 明顯的因素就是開關元件和被動零件(主要是電感)的傳導損耗。想將轉換器的耗電量減至最少，最好方法是使用導通阻抗很小的大型開關元件以及銅損耗極低的大 電感。然而可攜式應用通常會以體積為優先考量，這使大型零件的使用受到相當限制；另外，大型零件的較高成本也會影響其應用。

除了傳導損 耗外，開關元件的切換動作也會造成損耗。例如MOSFET等開關元件就含有寄生電容，它們會在切換過程不斷充電和放電。就同樣製程技術而言，開關元件的寄 生電容大小與其體積成正比，因此切換損耗會隨著開關體積和切換頻率而增加。電感的磁損耗則與鐵芯材料的數量有關，所以也會隨著電感體積和切換頻率而變大。

傳導損耗與開關損耗都會影響轉換器的整體效率。轉換器若想將傳導損耗減至最小，就必須在開關損耗做出犧牲，反之亦然。這表示設計人員必 須根據實際操作條件和開關頻率在開關損耗和傳導損耗之間做出取捨才能得到最佳結果，

減少轉換器傳導損耗的方法之一，是以主動控制型 MOSFET取代常用來做為被動開關的二極體。二極體的傳導損耗會受到順向電壓降和順向電流影響，MOSFET的傳導損耗則與它的導通阻抗和均方根值電流 有關。順向電壓是由半導體物理特性決定，因此沒有任何改變的可能；相形之下，MOSFET的導通阻抗就與它的體積有關。所謂的同步整流多半必須在低輸出電 壓下才能發揮優勢。

控制電路必須最佳化，才能在低負載時提供最大轉換效率。達成這項要求的關鍵在於支援省電模式操作，其設計方法主要有 兩種：第一種是隨著負載電流需求降低開關頻率，這稱為脈衝頻率調變模式(PFM Mode)。另一種則是讓轉換器連續工作數個脈衝週期，然後將它完全關掉直到輸出電壓降至某個臨界值以下，這種做法稱為爆發模式(Burst Mode)。爆發模式還能關掉大部份控制電路來進一步減少電流消耗。這些省電模式的缺點之一是其操作頻率會受到負載影響，有時甚至會低到人耳能夠聽到的音 訊範圍。圖5和6是不同輸出負載下的輸出電壓波形(上面的曲線，每格20mV)和對應的電感電流(下面的曲線每格為100mA)。

圖 5：TPS61070升壓轉換器在330Ω負載下以省電模式操作時的輸出電壓漣波，圖中時基線為每格10μs

圖 6：TPS61070升壓轉換器在33Ω負載下以連續電流模式操作時的輸出電壓漣波，圖中時基線為每格1μs

系統若須提供多種 電源給不同的零件，那麼為這些電源選擇一組適當的轉換架構就變得非常重要。設計人員若將多個電 源轉換器串聯，則其產生特定輸出電壓時的轉換效率就等於每個轉換器的轉換效率乘積。例如若將兩個轉換效率 90%的轉換器串聯，那它在提供最終輸出電壓時的效率就為81%。這看起來似乎比轉換器並聯操作還要糟，但串聯架構其實也有它的好處，比如說開機順序的控 制比較簡單，系統也更容易切斷電池與負載之間的連線，以避免電池在系統關機時繼續放電。在串聯架構中，系統只要切斷第一顆轉換器即可，通常這僅需在輸入端 增加另一個開關或使用更複雜的轉換器。並聯轉換器則必須將所有轉換器都列入考慮。

串聯轉換器的另一項優點是能避免效率較低和成本較高的 複雜架構，例如升降壓轉換器。

它能降低成本，同時讓轉換器在效率更高的最佳操作點工作。例如線性穩壓器可在接近其最小電壓降 (dropout voltage)的位置操作，這樣就能擁有很高的轉換效率與非常小的輸出電壓漣波。

作者：

Jurgen Neuhausler

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