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笔记型电脑电池电力轻载效率之挑战
 

【作者: Serban Popescu、Laszlo Lipcsei】2003年11月05日 星期三

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对电池来供应电力的笔记型电脑与移动式电脑(mobile computer)来说,电池电力的续航力乃是决定电脑的设计是否成功的重要因素。因为中央处理器(CPU)、晶片组绘图处理器(GPU)与记忆体,通常是由不同的电压线路来供电,因此其中一个很重要的工作,就是透过有效率的方式来将电池的电压转换为各个硬体所需之电压。而被选择来执行此转换作业的便是DC/DC整流器(DC/DC converter),它几乎可以达到95%的转换效率。由于这些积体电路(IC)的动态运作之故,例如,从重载切换为轻载──在电压转换过程中,总是会有DC/DC整流器效率不彰的时候,也可能只能达到约10~20%的转换效率,这会缩短电池实际的电力续航力。 DC/DC整流器通常在重载时都可达到很高的效率,以管理thermal budget。而延长电池续航力的关键在于,制造出可以从很轻载(在mA幅度中)到重载之间的幅度,均提供高转换效率的DC/DC整流器。


有几个方式可以达到此效率等级,其中一最好的方式,便是让DC/DC整流器能够在连续电流(continuous current)与非连续电流(discontinuous current)模式中作业。当电力消耗减少时,从电池到输出去耦合电容器(output decoupling capacitor)的PWM周期(PWM cycle)中转换之能源,会比负载所消耗的能源来得高。


在此情况下,一个PWM周期可能会提供负载所要求之能源一段很长的时间,因此额外的PWM周期便可能会被跳过。在那些被跳过的PWM周期期间传送能源给负载时输出去耦合电容器则扮演储存元件的角色。仅在储存的能源消耗完之后,才会有一个新的PWM周期来为输出去耦合电容器补足能源。为完成这个能源周期,DC/DC整流器便必须要能以非连续的模式来运作。


此重要挑战为控制器要如何判断何时以连续的模式运作、何时以非连续的模式运作,并在这两者模式之间完美地转换。


最佳化零交叉切换(Optimizing the zero-crossing switching)

每个PWM周期都必须要尽可能有效率地转换能源。一旦完成此周期之后,两个切换开关都必须要关闭,以减少与控制作业有关的电力浪费,并让输出去耦电容器中所储存的能源只能被负载消耗。 (图一)为具脉冲跳过能力的整流器简图。


《图一 具脉冲跳过能力之降压DC/DC 整流器(Buck DC/DC Converter)简化图解》
《图一 具脉冲跳过能力之降压DC/DC 整流器(Buck DC/DC Converter)简化图解》

测量电感电流

为达到最佳效率,low side switch必须扮演主动的整流器,并且在电感电流(inductor current)降到零(藉由强迫提供High给图一的LDR_EN讯号)的瞬间关闭。要达到这个目标最直接的方式便是测量电感电流。


目前已经有几种方式被提出​​来以完成这个作业,包括使用真正的侦测电阻(sense resistor,Rsense),来与电感(与其使用电感的铜阻来做为感应电阻器的DCR转换)串联,或当Low side switch打开时侦测其电压到达drop across (即Rdson sensing)。


直接测量电感电流

直接测量电感电流的最大缺点则是,其测量结果并不精确。为了在重载中维持高效率,感应元件(Rsense、DCR或Rdson)便必须要尽可能地保持较小电阻值;这样一来压降便会很小。由于零交叉(zero-cross)侦测包含某些种类的比较器(Comparator),除非使用昂贵的自动归零技术(auto-zeroing)或修整技术(Trimming Technique),否则侦测的精确度便会受到比较器的偏移量(Offset)限制。因为零交叉感应是由高振幅切换杂讯脉冲(High Amplitude Switching Noise Spikes)来完成的,所以比较器定机的运作情况甚至会更糟,必须要注意确实去耦合以减轻这个干扰的问题。


因此,避免在电感电流变更其极性之后关闭,low side switch是很重要的(除非想让降压整流器(Buck Converter)变成一个效率更低的升压整流器(Boost Converter)。


使用直流电测量方式的控制电路,必须在仍然有大量电流通过电感时,将开关关闭。例如,在一个使用5mΩ的感应元件的应用,以及有最多±3mV比较器偏移量的控制器的情况下,控制器便必须要在还有如下所示的剩余的电感电流(在最差的情况下)时,将低端开关关闭:


这表示有1.2A的电流通过Schottky二极体(Schottky diode),这是不必要的电力损失,以及转换的效率降低。


控制Low Side Switch之方式

可以避免产生前述的缺点较适当控制low side switch之方式是计算电感电流归零所需的时间,例如,使用一个零交叉估算器(Zero-crossing Estimator)。由于此估算器是内建在控制器内部,它不会受到切换干扰,而且可以使用较大的电压来运作,因此可以排除因偏移量而产生的不精确性与电力浪费。


一个使用较新技术的典型电路便是O2Micro的OZ824A。这是一个可接受很宽的输入电压幅度,并且已经为低输出电压而最佳化的双输出DC/DC控制器。其专利的精确零交叉估算方式,可在轻载与重载过程中,皆能达到完美的转换效率。 (图二)便是一典型的转换效率曲线。



《图二 典型4A DC/DC整流器的OZ824转换效率曲线》
《图二 典型4A DC/DC整流器的OZ824转换效率曲线》

(图三)则说明在使用传统方式的控制器的情况下,切换节点的输入脉冲跳过(entering pulse skipping)现象。


《图三 使用传统控制器时DC/DC整流器中的切换节点输入脉冲跳过现象》
《图三 使用传统控制器时DC/DC整流器中的切换节点输入脉冲跳过现象》

如图三所示,使用直流电测量方式的控制器关闭低端开关速度太快,结果电感电流会通过Schottky二极体约0.5μs,如(图四)所示,说明O2Micro的控制器(OZ824)在相同条件下的情况。


《图四 使用OZ824控制器的应用中的切换节点输入脉冲跳过现象》
《图四 使用OZ824控制器的应用中的切换节点输入脉冲跳过现象》

结论

对OZ824控制器来说,Low side switch会在电感电流消失时精确地关闭。由于没有使用Schottky二极体来传导,因此可以减少电力浪费,而转换效率也可以提高。藉由在同步的DC/DC整流器中采用更精确的判断Low side switch的最佳关闭时间之方式,便可以在轻载的情况下显著提高转换效率,而不需要牺牲重载的转换效率。


O2Micro的双输出DC/DC整流器OZ824便是采用较好方式,并在宽幅度的负载变化上达到完美的转换效率,因此可以增进电池的电力在可携式系统中的续航力。 (作者为O2Micro电源管理工程师)


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