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有所不同，具體取決于負(fù)載和輸出電壓測量連接以及PCB布局的對稱性。評估多相降壓轉(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估板上多相降壓轉(zhuǎn)換器的效率問題。本應(yīng)用筆記探討了根本原因，并提供了一種測量多相降壓轉(zhuǎn)換器最精確效率的方法。

介紹

測量多相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。工程師在評估這些轉(zhuǎn)換器時，必須仔細(xì)考慮如何測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有所不同，具體取決于負(fù)載和輸出電壓測量連接以及PCB布局的對稱性。評估多相降壓轉(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估板上多相降壓轉(zhuǎn)換器的效率問題。本應(yīng)用筆記探討了根本原因，并提供了一種測量多相降壓轉(zhuǎn)換器最精確效率的方法。

使用以下公式計算任何 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 P在通過測量輸入電容兩端的電壓（或盡可能靠近引腳），用電流表測量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P外通過測量輸出電容器兩端（或盡可能靠近引腳）的電壓，用電流表測量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，只有一個功率級和一個輸出;因此，一個點要測量。在多相降壓轉(zhuǎn)換器中，有多個電連接的輸出。以四相降壓為例：四相降壓需要四個電感（每相一個），至少四個輸出電容（每相一個或多個），并將四個單獨相的輸出連接在一起。應(yīng)測量哪個輸出電壓以計算P外?假設(shè)所有四個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點相遇時測量時才相同。PCB阻抗在從IC的開關(guān)節(jié)點引腳路由到負(fù)載時，會導(dǎo)致每相輸出走線的壓降。良好的對稱布局將最大限度地減少這種影響。然而，布局不對稱可能導(dǎo)致降壓輸出的不平衡。例如，如果從第一相到負(fù)載的銅走線短于從第四相到負(fù)載的走線，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（它們在負(fù)載點必須相等， 第四階段將產(chǎn)生更多的壓降）。如前所述，這對于計算效率非常重要。在這種情況下，僅測量第一個輸出電壓并假設(shè)其他相位相同，將得到一個低于實際效率的數(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)生的功率超過所占的功率。請注意，此過程也可能反向發(fā)生;也可以測量高于實際的效率。因此，多相降壓轉(zhuǎn)換器的感知效率取決于測量方法。舉一個夸張的例子來說明這一點。

圖1.多相輸出框圖。

圖1描述了四相降壓轉(zhuǎn)換器布線不平衡的夸張情況。請注意，每相的電感（L）和輸出電容（C）未在圖1中顯示，但確實存在。OUTx 是 IC 上輸出電容的節(jié)點，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走線到負(fù)載的長度是OUT1走線長度的四倍。假設(shè)額外的長度貢獻(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)致計算效率錯誤：

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。

在實際實驗室中，負(fù)責(zé)計算這種多相降壓轉(zhuǎn)換器效率的工程師需要測量四個量：VIN、VOUT、IIN 和 IOUT。輸入電壓和電流非常簡單;轉(zhuǎn)換器只有一個輸入源，因此一個地方連接電壓表，一個地方插入電流表。輸出電流簡單;負(fù)載和降壓輸出之間為一個電流表。然而，輸出電壓可能有點棘手。如果工程師將電壓表連接到負(fù)載點并讀取VOUT = 1.0V，則會自動包括從本地輸出電容到負(fù)載點的PCB損耗，并計算出不正確的效率。通常，Maxim集成評估板帶有開爾文檢測測試點，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），計算每相的輸出功率，然后計算總輸出功率（如果假設(shè)其他相產(chǎn)生相同的電壓）：

測量輸出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

通過單獨測量每個相位來找到實際輸出功率：

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（只是一個人為的數(shù)字）。使用實際輸出功率計算器件的效率：

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

這個例子是為了說明這一點而精心設(shè)計的，但理論是站得住腳的。參見以下MAX77711四相降壓轉(zhuǎn)換器實驗，在實際IC中測試該理論。

假設(shè)

考慮以下假設(shè)：在多相降壓轉(zhuǎn)換器中，通過單獨測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效率，具體取決于布局質(zhì)量和測量方法。僅測量一相的輸出電壓并假設(shè)其他相的輸出電壓相同會導(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)意味著單獨測量所有輸出相位可以消除計算中的誤差。

實驗

在MAX77711等可配置的四相降壓穩(wěn)壓器中，評估板必須允許評估所有可能的相位配置。這樣做時，布局犧牲了一些對稱性以實現(xiàn)可配置性。這使其成為檢驗假設(shè)的良好候選者。考慮一個具有三個主要目標(biāo)的實驗：

在測量四相效率時，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)換器的實際效率。

提供衡量效率的建議。

圖2.MAX77711采用4Ф配置。

參見圖2，給出了MAX77711評估板的四相配置（1路輸出）。為了突出圖4中的觀點，請注意如果負(fù)載取自O(shè)UT4端子，電流必須流過的不同走線長度。第一階段（藍(lán)色）采用最長路徑，第二階段和第三階段（分別為紫色和綠色）采用第二長的路徑，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。

加載和測量有 16 種獨特的組合，但只關(guān)注少數(shù)幾種以簡化實驗。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，并測量四相中每一相的輸出電壓。按如下方式定義實驗：

測量 VIN – 在輸入電容器上連接電壓表（開爾文檢測測試點 INxS 和 GNDxS）。

測量 IIN – 將電源和輸入之間的電流表連接到降壓（SYS 測試點）。

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

測量 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)字來計算效率。對 x 的每個值重復(fù)效率測量以測試所有組合。

最后，執(zhí)行最后一次效率掃描，但每相輸出電壓使用一個電壓表（總共四個），每個相位輸出電流使用一個電流表（總共四個）。輸入電壓和電流表保持不變。這種掃描應(yīng)提供最真實的穩(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，請參閱圖 3。由于負(fù)載取自 OUT4，因此紅色曲線（當(dāng) V外從產(chǎn)生最低電壓的OUT4測量）具有最低的效率。測量 V外OUT4不考慮其他相位產(chǎn)生的額外輸出功率來補償其PCB損耗。相反，紫色曲線（當(dāng)V外從產(chǎn)生最高電壓的OUT1測量）是最高效率，因為它假設(shè)其他相位產(chǎn)生的輸出功率比它們更多。有點難以看到，但是綠色和黃色曲線（OUT2和OUT3 V外測量值）彼此重疊。

藍(lán)色曲線顯示MAX77711的實際效率介于紅色和紫色邊界之間。但是不小心測量可能會產(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)換器的測量效率需要仔細(xì)放置測量設(shè)備。不對稱的PCB布局可能會導(dǎo)致?lián)p耗，這些損耗可能會在評估過程中被考慮在內(nèi)。測量最精確效率的方法是單獨測量每相的輸出功率，并將它們相加以得到總輸出功率。

對于工程師來說，用八米來測量他們遇到的每個多相降壓轉(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，并在評估效率時評估PCB、負(fù)載和測量設(shè)置的質(zhì)量和對稱性。一個好的經(jīng)驗法則是從中間點開始測量負(fù)載，然后從中間點或盡可能接近中間點測量輸出電壓。

審核編輯：郭婷