由于多相降壓轉換器的性質，靜態工作條件下的感知效率會有所不同，具體取決于負載和輸出電壓測量連接以及PCB布局的對稱性。評估多相降壓轉換器的工程師應了解本文探討的效率測量的細微差別以及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換器的效率問題。本應用筆記探討了根本原因，并提供了一種測量多相降壓轉換器最精確效率的方法。

介紹

測量多相DC-DC轉換器的效率可能很棘手。布局不平衡導致各相之間的電壓差異。工程師在評估這些轉換器時，必須仔細考慮如何測量輸入和輸出電壓及電流，以得出正確的數字。本應用筆記探討了多相降壓轉換器的細微差別，并提供了一種正確測量效率的方法

背景

由于多相降壓轉換器的性質，靜態工作條件下的感知效率會有所不同，具體取決于負載和輸出電壓測量連接以及PCB布局的對稱性。評估多相降壓轉換器的工程師應了解本文探討的效率測量的細微差別以及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換器的效率問題。本應用筆記探討了根本原因，并提供了一種測量多相降壓轉換器最精確效率的方法。

使用以下公式計算任何 DC-DC 轉換器的效率：

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外作為降壓轉換器輸出端向負載輸送的功率（而不是負載消耗的功率）。在單相降壓轉換器中，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。應測量哪個輸出電壓以計算P外?假設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的開關節點引腳路由到負載時，會導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，布局不對稱可能導致降壓輸出的不平衡。例如，如果從第一相到負載的銅走線短于從第四相到負載的走線，則第一相引腳上產生的電壓將低于第四輸出引腳上產生的電壓（它們在負載點必須相等， 第四階段將產生更多的壓降）。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其他相位相同，將得到一個低于實際效率的數字！降壓在第四相產生更高的輸出電壓，假設四相之間的負載電流相等，意味著第四相產生的功率超過所占的功率。請注意，此過程也可能反向發生;也可以測量高于實際的效率。因此，多相降壓轉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 上輸出電容的節點，VX是直接在這些電容器上產生的電壓（其中X是四相之一）。Vout是負載點電壓，I外是負載消耗的總輸出電流。想象一下，在PCB上，OUT4走線到負載的長度是OUT1走線長度的四倍。假設額外的長度貢獻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致計算效率錯誤：

假設：

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，降壓轉換器直接在輸出電容處產生的電壓必須高于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，負責計算這種多相降壓轉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載點并讀取VOUT = 1.0V，則會自動包括從本地輸出電容到負載點的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。

假設輸出電流在四相之間平均分配，每相1A（假設降壓轉換器具有良好的均流環路），計算每相的輸出功率，然后計算總輸出功率（如果假設其他相產生相同的電壓）：

測量輸出1的電壓輸出：
P1 = 1.025V × 1A = 1.025W

假設其他三相也處于 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。假設輸入功率為 5W（只是一個人為的數字）。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。根據它們連接輸出電壓測量的位置，計算效率可能誤差多達+/- 3%！這可能是選擇一個IC而不是另一個IC之間的區別。

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

假設

考慮以下假設：在多相降壓轉換器中，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，具體取決于布局質量和測量方法。僅測量一相的輸出電壓并假設其他相的輸出電壓相同會導致感知到的轉換器效率不正確（誤差大小取決于布局的質量）。該假設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可配置性。這使其成為檢驗假設的良好候選者。考慮一個具有三個主要目標的實驗：

在測量四相效率時，確定最壞情況：效率數字可以達到多低或多高？

確定轉換器的實際效率。

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，請注意如果負載取自OUT4端子，電流必須流過的不同走線長度。第一階段（藍色）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應該看到最少的PCB損耗，而OUT<>應該看到最多的PCB損耗。

加載和測量有 16 種獨特的組合，但只關注少數幾種以簡化實驗。一組組合應該足以證明或反駁假設。在OUT4端子上安裝負載，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。

使用這些數字來計算效率。對 x 的每個值重復效率測量以測試所有組合。

最后，執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。這種掃描應提供最真實的穩壓器效率。

結果

圖3.效率與負載，VIN = 7.4V, VOUT = 1.1V，渦輪跳躍模式。

有關每種情況下繪制的效率數據的圖表，請參閱圖 3。由于負載取自 OUT4，因此紅色曲線（當 V外從產生最低電壓的OUT4測量）具有最低的效率。測量 V外OUT4不考慮其他相位產生的額外輸出功率來補償其PCB損耗。相反，紫色曲線（當V外從產生最高電壓的OUT1測量）是最高效率，因為它假設其他相位產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生高達3%的效率誤差！

結論

圖 3 所示的數據證明該假設是正確的。多相DC-DC轉換器的測量效率需要仔細放置測量設備。不對稱的PCB布局可能會導致損耗，這些損耗可能會在評估過程中被考慮在內。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換器的效率并不總是可行的。工程師應牢記本文的結果，并在評估效率時評估PCB、負載和測量設置的質量和對稱性。一個好的經驗法則是從中間點開始測量負載，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