能源效率日益受到重視，在嘗試達到能源之星標準時更是如此。設計人員都想在不增加成本的前提下，提升輕載效率，對於機上盒等大量消費性電子產品應用更是如此，使產品的功耗降低1瓦(W)，就能夠使電力網節省數百萬瓦。電源管理半導體產業已開發出低成本的高電流同步降壓直流對直流(DC-DC)轉換器，能夠提升待機時的功耗效率。
本文將比較使用兩個完全負載點(POL)架構，及不使用輕載效率功能，所呈現的輕載效率差異，並探討雜訊、成本、外部元件數及實作便利性等議題。以相同的綠能模式離線電源供應所提供的12伏特(V)匯流排加以後調節，以達到一致的比較此兩個架構的效果。
機上盒須符合能源之星需求
對於大量應用而言，設計達到能源效率是絕佳的設計實務做法。若要達到機上盒的能源之星需求，可根據機上盒的基礎功能細分，並設定電源耗用限額。層級的確立，有助於提升未來的效率。
對於第二版的機上盒需求，能源之星設定層級2限制作為初步目標。層級1及層級2限制很快就會被第三版所取代，層級1的有效日期將於2011年6月1日截止，層級2的有效日期則於2013年6月1日截止。
例如，地面機上盒依據層級1限制只能耗用27kWh/yr，依據層級2限制則只能耗用22kWh/yr。如果機上盒加入其他功能，則電源耗用限額將增加。機上盒內的家用網路介面依據層級1限制可耗用20kWh/yr，依據層級2限制可耗用10kWh/yr。深入研究各種可降低功耗的方法，有助於達到不斷進化的能源之星需求。
電源架構展示比較
一般的機上盒電源架構內的離線電源供應，可接受85～265VAC輸入電源，並且轉換為調節的12VDC匯流排。這個12伏特電壓可提供4安培(A)電流，端視機上盒整合的額外功能而定，例如可卸除的媒體播放器、額外的調諧器，或整合的數位錄影機。在12伏特匯流排中，一般的POL電壓為5伏特、3.3伏特、2.5伏特、1.8伏特及1.2伏特，這些都是許多POL架構中常見的電壓。各個電壓的輸出電流通常小於3安培。
進行這項比較時，是以12伏特輸出及以上電壓的POL架構組成離線返馳式電源供應，其中使用兩個不同的直流對直流轉換器比較兩個相同的架構。其中一個轉換器運用自動跳過功能提升輕載效率，而另一個是標準的固定頻率直流對直流轉換器。這兩個裝置均為接腳相容，並使用相同的外部元件。為了展示一般機上盒應用中自動跳過功能所達到的省電效果，使用TPS54325和TPS54326進行測試。評估電路板內建離線返馳式電源供應，以及具有整合式輕載效率的五組POL直流對直流轉換器(表1)。
綠能模式控制器減少損耗
返馳式轉換器對於機上盒交流對直流(AC-DC)應用相當具吸引力，因為能夠提供低成本的隔離輸出，並使用較少的外部元件。在間斷傳導模式(DCM)中運作返馳式轉換器的效果相當好，輸出整流器不會有反向復原耗損，因此效率得以提升。如圖1所示的UCC28610綠能模式返馳式控制器，其中使用的40瓦返馳配置，可達到能源之星外部電源供應(EPS)2.0版對於運作負載，及空載耗電量的效率需求。
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| 圖1 UCC28610綠能模式控制器電路圖 |
對於使用EPS的機上盒，外部電源也必須符合能源之星標準，或達到能源之星單一電壓交流對交流(AC-AC)及交流對直流EPS 2.0版的空載及運作負載效率規格。傳統固定頻率脈衝寬度調變(PWM)返馳式轉換器未使用節能技術，容易耗用過多電源，因此無法達到能源之星標準。
若要節省負載能源，綠能模式返馳式控制器運用許多可減少耗損的技術，例如谷值切換、變頻控制、功率金屬氧化半導體場效電晶體(MOSFET)串疊連接，及輕載脈衝省略。
DC-DC轉換器跳過功能運作
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| 圖2 輕載效率的負載點直流對直流轉換器 |
直流對直流轉換器的自動跳過功能長久以來用於電池供電，例如手機及筆記型電腦等裝置應用，不過，由於能源之星及歐洲行為準則(ECC)的規範，具有自動跳過功能的直流對直流轉換器逐漸在非可攜式應用的市場中廣受採用。圖2顯示的TPS54326適用於具有自動跳過模式功能消費性電子產品的直流對直流轉換器。
降壓轉換器的電感電流是三角波。輸出電流從重載降低時，電感電流會隨之降低，三角波的波谷將接觸續傳導模式(CCM)與DCM之間邊限的零點。透過自動跳過功能，轉換器偵測到電感的零電流時，整流MOSFET會關閉。當負載電流進一步降低時，通導時間將保持幾乎恆定，使停歇時間延長，並降低切換頻率，以維持調節。因此，電源MOSFET及電感將長時間閒置，傳導耗損將大幅降低。公式1顯示直流對直流轉換器將進入輕載效率模式的點。
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DC-DC轉換器效率測試
各個POL轉換器的效率測量，從展示電路板使用及不使用自動跳過模式時進行，其中以對數標度顯示負載電流域低端的細節。圖3顯示各個裝置從10毫安培(mA)到3安培的所有五組直流對直流轉換器所呈現的效率。當負載低於300毫安培時，測得的效率都相當接近，這是因為輸出電感核心耗損在輕載時相當明顯。各個輸出電壓都使用相同的電感，核心耗損大致與輸出電壓呈等比。效率很快就降至100毫安培以下。在1安培以上的重載時，通導電阻耗損相當明顯。由於輸出電源與輸出電壓呈等比，而且電源耗損與輸出電壓較無關聯，因此效率在低輸出電壓時較低。
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| 圖3 不使用自動跳過模式的效率 |
圖4的效率圖顯示相同運作條件下，以不使用自動跳過模式的外部元件作為架構，自動跳過模式所達到的效率。當負載高於400毫安培時，測得的效率與圖3的結果相當接近。裝置進入自動跳過模式時，同步整流器將關閉。不使用自動跳過模式的直流對直流轉換器所達到的效率較低，這是由於循環電流、切換耗損及700kHz時的核心耗損所致。在自動跳過模式中，循環電流會受到抑制，而且切換頻率與輸出電流呈現反向關係，因此可大幅提升輕載時的效率。
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| 圖4 使用自動跳過模式的效率 |
乍看之下，很難將效率百分比與節能兩相對應，而且不容易計算直流對直流轉換器進入自動跳過模式時的電源耗損。因此，表2呈現的結果顯示使用及不使用自動跳過功能時，各個電源軌在不同負載程度下實際的電源耗損。
使用自動跳過的電源耗損明顯低於未使用輕載效率提升功能的架構。例如，在10毫安培下，自動跳過架構的總電源耗損為58毫瓦，而不使用自動跳過的架構所出現的總電源耗損為977毫瓦。另外，低輸出電壓表示低功耗，這主要是由於核心耗損降低所致。表3顯示兩個電源架構的整體效率及電源耗損。測得的結果顯示各個電源軌均以相同的輸出電流導通。例如，自動跳過架構在所有五個POL電源軌，以10毫安培通導時的整體效率為70%，整體功耗為58毫瓦。
請注意，不使用自動跳過的架構在200毫安培以下的負載時耗用1瓦，這相當於耗用8.7kWh/yr，而使得系統的其他部分無法達到能源之星的電源需求。對於消費者而言，0.20美元/kWh的用電成本一年可節省2美元。
設計人員可選擇停用機上盒的某些功能，以降低睡眠或待機模式等低運作狀態時的耗電量。停用POL電源會關閉供應至負載的電源。直流對直流轉換器的關閉靜態電流如今已成為重要的規格，大多數直流對直流轉換器的關閉靜態電流遠低於20微安培(μA)。針對TPS54326所測得的關閉靜態電源為3.4微安培。
留意輕載效率
直流對直流轉換器進入自動跳過模式時，PWM脈衝將加大間距，使得峰間輸出電壓漣波增加。在大多數情況下，機上盒不會傳送或接收資料，而且調諧器電路不太可能受到雜訊干擾，不過，必須特別注意漣波電壓，以確保效能結果不受影響。如TPS54326等適應性導通及時直流對直流轉換器不需要迴路補償，因此可簡化設計。
電流模式或電壓模式直流對直流，在輕載期間進入間斷傳導模式時，移轉函數及補償迴路等式會變更，因此必須特別注意製造商的補償準則。如果裝置具有自動跳過功能，產品說明書會載明如何針對間斷傳導模式適當補償裝置。
對於消費性應用而言，具有自動跳過模式的直流對直流轉換器開始受到重視，目前市場可接受為具有此輕載功能的裝置多付出一些成本，不過隨著市場日益競爭，增加的成本對於整體電源管理系統就顯得微不足道。
正視電源管理負載點架構
設計人員須要降低產品各部分的耗電量時，絕對不可忽略電源管理負載點架構。選擇內建自動跳過模式的高效率同步降壓直流對直流轉換器，有助於減少輕載時數百毫瓦的電源耗用，這相當於一年數kWh的程度，而且完全不增加成本或降低效能。這些直流對直流轉換器也提供高效率同步整流，能夠在重載下達到高效率。
(本文作者任職於德州儀器)