由于多相降壓轉(zhuǎn)換器的性質(zhì)，靜態(tài)工作條件下的感知效率會(huì)有所不同，具體取決于負(fù)載和輸出電壓測(cè)量連接以及PCB布局的對(duì)稱(chēng)性。評(píng)估多相降壓轉(zhuǎn)換器的工程師應(yīng)了解本文探討的效率測(cè)量的細(xì)微差別以及PCB布局。需要解決如何公平地比較不同評(píng)估板上多相降壓轉(zhuǎn)換器的效率問(wèn)題。本應(yīng)用筆記探討了根本原因，并提供了一種測(cè)量多相降壓轉(zhuǎn)換器最精確效率的方法。

介紹

測(cè)量多相DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率可能很棘手。布局不平衡導(dǎo)致各相之間的電壓差異。工程師在評(píng)估這些轉(zhuǎn)換器時(shí)，必須仔細(xì)考慮如何測(cè)量輸入和輸出電壓及電流，以得出正確的數(shù)字。本應(yīng)用筆記探討了多相降壓轉(zhuǎn)換器的細(xì)微差別，并提供了一種正確測(cè)量效率的方法

背景

由于多相降壓轉(zhuǎn)換器的性質(zhì)，靜態(tài)工作條件下的感知效率會(huì)有所不同，具體取決于負(fù)載和輸出電壓測(cè)量連接以及PCB布局的對(duì)稱(chēng)性。評(píng)估多相降壓轉(zhuǎn)換器的工程師應(yīng)了解本文探討的效率測(cè)量的細(xì)微差別以及PCB布局。需要解決如何公平地比較不同評(píng)估板上多相降壓轉(zhuǎn)換器的效率問(wèn)題。本應(yīng)用筆記探討了根本原因，并提供了一種測(cè)量多相降壓轉(zhuǎn)換器最精確效率的方法。

使用以下公式計(jì)算任何 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的效率：

定義 P在作為從電源傳遞到集成電路（IC）輸入的功率（而不是電源產(chǎn)生的功率）。估計(jì) P在通過(guò)測(cè)量輸入電容兩端的電壓（或盡可能靠近引腳），用電流表測(cè)量IC電源和電源輸入之間的輸入電流，然后將兩者相乘（P = V × I）。定義 P外作為降壓轉(zhuǎn)換器輸出端向負(fù)載輸送的功率（而不是負(fù)載消耗的功率）。在單相降壓轉(zhuǎn)換器中，估計(jì)P外通過(guò)測(cè)量輸出電容器兩端（或盡可能靠近引腳）的電壓，用電流表測(cè)量IC功率輸出和負(fù)載之間的輸出電流，然后將兩者相乘。效率（η）是輸出功率與輸入功率的比值。

在單相降壓轉(zhuǎn)換器中，只有一個(gè)功率級(jí)和一個(gè)輸出;因此，一個(gè)點(diǎn)要測(cè)量。在多相降壓轉(zhuǎn)換器中，有多個(gè)電連接的輸出。以四相降壓為例：四相降壓需要四個(gè)電感（每相一個(gè)），至少四個(gè)輸出電容（每相一個(gè)或多個(gè)），并將四個(gè)單獨(dú)相的輸出連接在一起。應(yīng)測(cè)量哪個(gè)輸出電壓以計(jì)算P外?假設(shè)所有四個(gè)相位的輸出電壓相同是合乎邏輯的，但并不完全正確。它們僅在電路板上的單個(gè)點(diǎn)相遇時(shí)測(cè)量時(shí)才相同。PCB阻抗在從IC的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)引腳路由到負(fù)載時(shí)，會(huì)導(dǎo)致每相輸出走線(xiàn)的壓降。良好的對(duì)稱(chēng)布局將最大限度地減少這種影響。然而，布局不對(duì)稱(chēng)可能導(dǎo)致降壓輸出的不平衡。例如，如果從第一相到負(fù)載的銅走線(xiàn)短于從第四相到負(fù)載的走線(xiàn)，則第一相引腳上產(chǎn)生的電壓將低于第四輸出引腳上產(chǎn)生的電壓（它們?cè)谪?fù)載點(diǎn)必須相等， 第四階段將產(chǎn)生更多的壓降）。如前所述，這對(duì)于計(jì)算效率非常重要。在這種情況下，僅測(cè)量第一個(gè)輸出電壓并假設(shè)其他相位相同，將得到一個(gè)低于實(shí)際效率的數(shù)字！降壓在第四相產(chǎn)生更高的輸出電壓，假設(shè)四相之間的負(fù)載電流相等，意味著第四相產(chǎn)生的功率超過(guò)所占的功率。請(qǐng)注意，此過(guò)程也可能反向發(fā)生;也可以測(cè)量高于實(shí)際的效率。因此，多相降壓轉(zhuǎn)換器的感知效率取決于測(cè)量方法。舉一個(gè)夸張的例子來(lái)說(shuō)明這一點(diǎn)。

圖1.多相輸出框圖。

圖1描述了四相降壓轉(zhuǎn)換器布線(xiàn)不平衡的夸張情況。請(qǐng)注意，每相的電感（L）和輸出電容（C）未在圖1中顯示，但確實(shí)存在。OUTx 是 IC 上輸出電容的節(jié)點(diǎn)，VX是直接在這些電容器上產(chǎn)生的電壓（其中X是四相之一）。Vout是負(fù)載點(diǎn)電壓，I外是負(fù)載消耗的總輸出電流。想象一下，在PCB上，OUT4走線(xiàn)到負(fù)載的長(zhǎng)度是OUT1走線(xiàn)長(zhǎng)度的四倍。假設(shè)額外的長(zhǎng)度貢獻(xiàn)的電阻是第一相的四倍（4R與1R）。使用此示例，了解不平衡的布局和加載如何可能導(dǎo)致計(jì)算效率錯(cuò)誤：

假設(shè)：

VOUT = 1V
IOUT = 4A
I1 = I2 = I3 = I4 = 1A
R = 0.025Ω

算：

V1 = （I1 × 1R） + V外= （1A × 0.025O） + 1V = 25mV + 1V = 1.025V
V2 = （I2 × 2R） + V外= （1A × 0.050O） + 1V = 50mV + 1V = 1.050V
V3 = （I3 × 3R） + V外= （1A × 0.075O） + 1V = 75mV + 1V = 1.075V
V4 = （I4 × 4R） + V外= （1A × 0.100O） + 1V = 100mV + 1V = 1.10V

請(qǐng)注意，降壓轉(zhuǎn)換器直接在輸出電容處產(chǎn)生的電壓必須高于VOUT，以補(bǔ)償PCB路徑上的壓降。第一階段只有 （1 × R） 下降，但第四階段有 （4 × R） 下降。

在實(shí)際實(shí)驗(yàn)室中，負(fù)責(zé)計(jì)算這種多相降壓轉(zhuǎn)換器效率的工程師需要測(cè)量四個(gè)量：VIN、VOUT、IIN 和 IOUT。輸入電壓和電流非常簡(jiǎn)單;轉(zhuǎn)換器只有一個(gè)輸入源，因此一個(gè)地方連接電壓表，一個(gè)地方插入電流表。輸出電流簡(jiǎn)單;負(fù)載和降壓輸出之間為一個(gè)電流表。然而，輸出電壓可能有點(diǎn)棘手。如果工程師將電壓表連接到負(fù)載點(diǎn)并讀取VOUT = 1.0V，則會(huì)自動(dòng)包括從本地輸出電容到負(fù)載點(diǎn)的PCB損耗，并計(jì)算出不正確的效率。通常，Maxim集成評(píng)估板帶有開(kāi)爾文檢測(cè)測(cè)試點(diǎn)，以幫助工程師避免這種困難。

假設(shè)輸出電流在四相之間平均分配，每相1A（假設(shè)降壓轉(zhuǎn)換器具有良好的均流環(huán)路），計(jì)算每相的輸出功率，然后計(jì)算總輸出功率（如果假設(shè)其他相產(chǎn)生相同的電壓）：

測(cè)量輸出1的電壓輸出：
P1 = 1.025V × 1A = 1.025W

假設(shè)其他三相也處于 1.025V ×則 1.025W POUT

測(cè)量 OUT2 處的電壓輸出：
P2 = 1.05V × 1A = 1.05W

假設(shè)其他三相也處于 1.05V 電壓，則 1.05W × 4 = 4.2W POUT

測(cè)量 OUT3 處的電壓輸出：
P3 = 1.075V × 1A = 1.075W

假設(shè)其他三相也處于 1.075V 電壓，則 1.075W × 4 = 4.3W POUT

在 OUT4 處測(cè)量 VOUT：P4 = 1.1V × 1A = 1.1W

假設(shè)其他三相也處于 1.1V 電壓，則 1.1W × 4 = 4.4W POUT

通過(guò)單獨(dú)測(cè)量每個(gè)相位來(lái)找到實(shí)際輸出功率：

POUT = P1 + P2 + P3 + P4 = 1.025W + 1.05W + 1.075W + 1.1W = 4.25W 嘴唇

在這種情況下，降壓需要固定輸入功率。假設(shè)輸入功率為 5W（只是一個(gè)人為的數(shù)字）。使用實(shí)際輸出功率計(jì)算器件的效率：

如果工程師只測(cè)量OUT1，他們將計(jì)算出4.1W/5W = 82%的效率。如果他們只測(cè)量OUT4，他們將計(jì)算出4.4W / 6W = 88%的效率。根據(jù)它們連接輸出電壓測(cè)量的位置，計(jì)算效率可能誤差多達(dá)+/- 3%！這可能是選擇一個(gè)IC而不是另一個(gè)IC之間的區(qū)別。

這個(gè)例子是為了說(shuō)明這一點(diǎn)而精心設(shè)計(jì)的，但理論是站得住腳的。參見(jiàn)以下MAX77711四相降壓轉(zhuǎn)換器實(shí)驗(yàn)，在實(shí)際IC中測(cè)試該理論。

假設(shè)

考慮以下假設(shè)：在多相降壓轉(zhuǎn)換器中，通過(guò)單獨(dú)測(cè)量每相提供的功率并將它們相加以排除所有PCB損耗，并獲得用于效率計(jì)算的正確輸出功率，可以獲得最精確的效率。

該理論指出，感知效率可能低于或高于真實(shí)效率，具體取決于布局質(zhì)量和測(cè)量方法。僅測(cè)量一相的輸出電壓并假設(shè)其他相的輸出電壓相同會(huì)導(dǎo)致感知到的轉(zhuǎn)換器效率不正確（誤差大小取決于布局的質(zhì)量）。該假設(shè)意味著單獨(dú)測(cè)量所有輸出相位可以消除計(jì)算中的誤差。

實(shí)驗(yàn)

在MAX77711等可配置的四相降壓穩(wěn)壓器中，評(píng)估板必須允許評(píng)估所有可能的相位配置。這樣做時(shí)，布局犧牲了一些對(duì)稱(chēng)性以實(shí)現(xiàn)可配置性。這使其成為檢驗(yàn)假設(shè)的良好候選者?？紤]一個(gè)具有三個(gè)主要目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)：

在測(cè)量四相效率時(shí)，確定最壞情況：效率數(shù)字可以達(dá)到多低或多高？

確定轉(zhuǎn)換器的實(shí)際效率。

提供衡量效率的建議。

圖2.MAX77711采用4Ф配置。

參見(jiàn)圖2，給出了MAX77711評(píng)估板的四相配置（1路輸出）。為了突出圖4中的觀點(diǎn)，請(qǐng)注意如果負(fù)載取自O(shè)UT4端子，電流必須流過(guò)的不同走線(xiàn)長(zhǎng)度。第一階段（藍(lán)色）采用最長(zhǎng)路徑，第二階段和第三階段（分別為紫色和綠色）采用第二長(zhǎng)的路徑，第四階段（黃色）采用最短路徑。這意味著OUT1應(yīng)該看到最少的PCB損耗，而OUT<>應(yīng)該看到最多的PCB損耗。

加載和測(cè)量有 16 種獨(dú)特的組合，但只關(guān)注少數(shù)幾種以簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)。一組組合應(yīng)該足以證明或反駁假設(shè)。在OUT4端子上安裝負(fù)載，并測(cè)量四相中每一相的輸出電壓。按如下方式定義實(shí)驗(yàn)：

測(cè)量 VIN – 在輸入電容器上連接電壓表（開(kāi)爾文檢測(cè)測(cè)試點(diǎn) INxS 和 GNDxS）。

測(cè)量 IIN – 將電源和輸入之間的電流表連接到降壓（SYS 測(cè)試點(diǎn)）。

測(cè)量 VOUT – 在相位 x 的輸出電容器上連接電壓表以獲得輸出電壓（跨開(kāi)爾文檢測(cè)測(cè)試點(diǎn) OUTxS 和 PGNDxS，其中 x = 1、2、3 或 4）。

測(cè)量 IOUT – 在相位 4 的輸出引腳和電子負(fù)載之間連接電流表，以獲取輸出電流（在 OUT4 處加載）。

用一些階躍值掃描負(fù)載，并記錄單個(gè)輸入電壓、輸入電流、輸出電壓和輸出電流。

使用這些數(shù)字來(lái)計(jì)算效率。對(duì) x 的每個(gè)值重復(fù)效率測(cè)量以測(cè)試所有組合。

最后，執(zhí)行最后一次效率掃描，但每相輸出電壓使用一個(gè)電壓表（總共四個(gè)），每個(gè)相位輸出電流使用一個(gè)電流表（總共四個(gè)）。輸入電壓和電流表保持不變。這種掃描應(yīng)提供最真實(shí)的穩(wěn)壓器效率。

結(jié)果

圖3.效率與負(fù)載，VIN = 7.4V, VOUT = 1.1V，渦輪跳躍模式。

有關(guān)每種情況下繪制的效率數(shù)據(jù)的圖表，請(qǐng)參閱圖 3。由于負(fù)載取自 OUT4，因此紅色曲線(xiàn)（當(dāng) V外從產(chǎn)生最低電壓的OUT4測(cè)量）具有最低的效率。測(cè)量 V外OUT4不考慮其他相位產(chǎn)生的額外輸出功率來(lái)補(bǔ)償其PCB損耗。相反，紫色曲線(xiàn)（當(dāng)V外從產(chǎn)生最高電壓的OUT1測(cè)量）是最高效率，因?yàn)樗僭O(shè)其他相位產(chǎn)生的輸出功率比它們更多。有點(diǎn)難以看到，但是綠色和黃色曲線(xiàn)（OUT2和OUT3 V外測(cè)量值）彼此重疊。

藍(lán)色曲線(xiàn)顯示MAX77711的實(shí)際效率介于紅色和紫色邊界之間。但是不小心測(cè)量可能會(huì)產(chǎn)生高達(dá)3%的效率誤差！

結(jié)論

圖 3 所示的數(shù)據(jù)證明該假設(shè)是正確的。多相DC-DC轉(zhuǎn)換器的測(cè)量效率需要仔細(xì)放置測(cè)量設(shè)備。不對(duì)稱(chēng)的PCB布局可能會(huì)導(dǎo)致?lián)p耗，這些損耗可能會(huì)在評(píng)估過(guò)程中被考慮在內(nèi)。測(cè)量最精確效率的方法是單獨(dú)測(cè)量每相的輸出功率，并將它們相加以得到總輸出功率。

對(duì)于工程師來(lái)說(shuō)，用八米來(lái)測(cè)量他們遇到的每個(gè)多相降壓轉(zhuǎn)換器的效率并不總是可行的。工程師應(yīng)牢記本文的結(jié)果，并在評(píng)估效率時(shí)評(píng)估PCB、負(fù)載和測(cè)量設(shè)置的質(zhì)量和對(duì)稱(chēng)性。一個(gè)好的經(jīng)驗(yàn)法則是從中間點(diǎn)開(kāi)始測(cè)量負(fù)載，然后從中間點(diǎn)或盡可能接近中間點(diǎn)測(cè)量輸出電壓。

審核編輯：郭婷