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筆記型電腦電池電力輕載效率之挑戰
 

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

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對電池來供應電力的筆記型電腦與移動式電腦(mobile computer)來說,電池電力的續航力乃是決定電腦的設計是否成功的重要因素。因為中央處理器(CPU)、晶片組繪圖處理器(GPU)與記憶體,通常是由不同的電壓線路來供電,因此其中一個很重要的工作,就是透過有效率的方式來將電池的電壓轉換為各個硬體所需之電壓。而被選擇來執行此轉換作業的便是DC/DC整流器(DC/DC converter),它幾乎可以達到95%的轉換效率。由於這些積體電路(IC)的動態運作之故,例如,從重載切換為輕載──在電壓轉換過程中,總是會有DC/DC整流器效率不彰的時候,也可能只能達到約10~20%的轉換效率,這會縮短電池實際的電力續航力。DC/DC整流器通常在重載時都可達到很高的效率,以管理thermal budget。而延長電池續航力的關鍵在於,製造出可以從很輕載(在mA幅度中)到重載之間的幅度,均提供高轉換效率的DC/DC整流器。


有幾個方式可以達到此效率等級,其中一最好的方式,便是讓DC/DC整流器能夠在連續電流(continuous current)與非連續電流(discontinuous current)模式中作業。當電力消耗減少時,從電池到輸出去耦合電容器(output decoupling capacitor)的PWM週期(PWM cycle)中轉換之能源,會比負載所消耗的能源來得高。


在此情況下,一個PWM週期可能會提供負載所要求之能源一段很長的時間,因此額外的PWM週期便可能會被跳過。在那些被跳過的PWM週期期間傳送能源給負載時輸出去耦合電容器則扮演儲存元件的角色。僅在儲存的能源消耗完之後,才會有一個新的PWM週期來為輸出去耦合電容器補足能源。為完成這個能源週期,DC/DC整流器便必須要能以非連續的模式來運作。


此重要挑戰為控制器要如何判斷何時以連續的模式運作、何時以非連續的模式運作,並在這兩者模式之間完美地轉換。


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

每個PWM週期都必須要盡可能有效率地轉換能源。一旦完成此週期之後,兩個切換開關都必須要關閉,以減少與控制作業有關的電力浪費,並讓輸出去耦電容器中所儲存的能源只能被負載消耗。(圖一)為具脈衝跳過能力的整流器簡圖。


《圖一 具脈衝跳過能力之降壓DC/DC 整流器(Buck DC/DC Converter)簡化圖解》
《圖一 具脈衝跳過能力之降壓DC/DC 整流器(Buck DC/DC Converter)簡化圖解》

測量電感電流

為達到最佳效率,low side switch必須扮演主動的整流器,並且在電感電流(inductor current)降到零(藉由強迫提供High給圖一的LDR_EN訊號)的瞬間關閉。要達到這個目標最直接的方式便是測量電感電流。


目前已經有幾種方式被提出來以完成這個作業,包括使用真正的偵測電阻(sense resistor,Rsense),來與電感(與其使用電感的銅阻來做為感應電阻器的DCR轉換)串聯,或當Low side switch打開時偵測其電壓到達drop across (即Rdson sensing)。


直接測量電感電流

直接測量電感電流的最大缺點則是,其測量結果並不精確。為了在重載中維持高效率,感應元件(Rsense、DCR或Rdson)便必須要盡可能地保持較小電阻值;這樣一來壓降便會很小。由於零交叉(zero-cross)偵測包含某些種類的比較器(Comparator),除非使用昂貴的自動歸零技術(auto-zeroing)或修整技術(Trimming Technique),否則偵測的精確度便會受到比較器的偏移量(Offset)限制。因為零交叉感應是由高振幅切換雜訊脈衝(High Amplitude Switching Noise Spikes)來完成的,所以比較器定機的運作情況甚至會更糟,必須要注意確實去耦合以減輕這個干擾的問題。


因此,避免在電感電流變更其極性之後關閉,low side switch是很重要的(除非想讓降壓整流器(Buck Converter)變成一個效率更低的升壓整流器(Boost Converter)。


使用直流電測量方式的控制電路,必須在仍然有大量電流通過電感時,將開關關閉。例如,在一個使用5mΩ的感應元件的應用,以及有最多±3mV比較器偏移量的控制器的情況下,控制器便必須要在還有如下所示的剩餘的電感電流(在最差的情況下)時,將低端開關關閉:


這表示有1.2A的電流通過Schottky二極體(Schottky diode),這是不必要的電力損失,以及轉換的效率降低。


控制Low Side Switch之方式

可以避免產生前述的缺點較適當控制low side switch之方式是計算電感電流歸零所需的時間,例如,使用一個零交叉估算器(Zero-crossing Estimator)。由於此估算器是內建在控制器內部,它不會受到切換干擾,而且可以使用較大的電壓來運作,因此可以排除因偏移量而產生的不精確性與電力浪費。


一個使用較新技術的典型電路便是O2Micro的OZ824A。這是一個可接受很寬的輸入電壓幅度,並且已經為低輸出電壓而最佳化的雙輸出DC/DC控制器。其專利的精確零交叉估算方式,可在輕載與重載過程中,皆能達到完美的轉換效率。(圖二)便是一典型的轉換效率曲線。



《圖二 典型4A DC/DC整流器的OZ824轉換效率曲線》
《圖二 典型4A DC/DC整流器的OZ824轉換效率曲線》

(圖三)則說明在使用傳統方式的控制器的情況下,切換節點的輸入脈衝跳過(entering pulse skipping)現象。


《圖三 使用傳統控制器時DC/DC整流器中的切換節點輸入脈衝跳過現象》
《圖三 使用傳統控制器時DC/DC整流器中的切換節點輸入脈衝跳過現象》

如圖三所示,使用直流電測量方式的控制器關閉低端開關速度太快,結果電感電流會通過Schottky二極體約0.5μs,如(圖四)所示,說明O2Micro的控制器(OZ824)在相同條件下的情況。


《圖四 使用OZ824控制器的應用中的切換節點輸入脈衝跳過現象》
《圖四 使用OZ824控制器的應用中的切換節點輸入脈衝跳過現象》

結論

對OZ824控制器來說,Low side switch會在電感電流消失時精確地關閉。由於沒有使用Schottky二極體來傳導,因此可以減少電力浪費,而轉換效率也可以提高。藉由在同步的DC/DC整流器中採用更精確的判斷Low side switch的最佳關閉時間之方式,便可以在輕載的情況下顯著提高轉換效率,而不需要犧牲重載的轉換效率。


O2Micro的雙輸出DC/DC整流器OZ824便是採用較好方式,並在寬幅度的負載變化上達到完美的轉換效率,因此可以增進電池的電力在可攜式系統中的續航力。(作者為O2Micro電源管理工程師)


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