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发布者:来自网络 发布时间:2010/1/14 阅读:16374次    关键字: DC-DC转换器 线性稳压器 电源内阻 转换效率
电源内阻:扼杀DC-DC转换效率的元凶


 理想的DC-DC转换器一个理想的DC-DC转换器具有100%的效率,工作于任意的输入和输出电压范围,并可向负载提供任意的电流。它也可以任意小,并可随意获得。在本分析中,我们只假设转换器的效率恒定不变,这样输入功率正比于输出功率:

公式5

对于给定负载,该式说明输入电流-电压(I-V)间的关系是一条双曲线,并在整个范围内表现出负的微分电阻特性(图2)。该图还给出了DC-DC转换器的I-V曲线随着输入功率的增加而发生的变化。对于具有动态负载的实际系统,这些曲线也是动态变化的。也就是说,当负载要求更多电流时,功率曲线会发生移动并远离初始位置。从输入端口,而非输出端口,考察一个调节器,是一个新颖的视点。毕竟,设计调节器的目的是为了提供一个恒定的电压(有时是恒定电流)输出。其参数主要是用来描述输出特性(输出电压范围、输出电流范围、输出纹波、瞬态响应等等)。而在输入端口,会表现出一些奇特的特性:在其工作范围内,它象一个恒功率负载(参考文献4) 。恒功率负载在电池测量仪或其它一些设计中非常有用。

图2. 这些双曲线代表DC-DC转换器的恒功率输入特性
图2. 这些双曲线代表DC-DC转换器的恒功率输入特性

电源效率计算

现在,我们有了足够的信息来计算电源自身的耗散功率及其效率。因为电源电压的开路值(VPS)已经给出,我们仅需找出DC-DC转换器的输入电压(VIN)。从等式[5]解出IIN

公式6

IIN还可以根据VPS、VIN和RS求出:

公式7

联合等式[6]和等式[7]可以解出VIN

公式8

为便于理解其意义,采用图形表示等式[6]和等式[7]是非常直观的(图3)。电阻负载线代表等式[7]的所有可能解,而DC-DC I-V曲线则是等式[6]的所有可能解。它们的交点就代表联立方程的解,确定了在DC-DC转换器输入端的稳定电压和电流。因为DC-DC曲线代表恒定的输入功率,(VIN+)(IIN+) = (VIN-) (IIN-)。(下标“+”和“-”表示式[8]给出的两个解,并对应于分子中的±符号。)

图3. 该图在DC-DC转换器的I-V曲线上附加了一条和电源内阻有关的负载线
图3. 该图在DC-DC转换器的I-V曲线上附加了一条和电源内阻有关的负载线

最佳工作点位于VIN+/IIN+,工作于该点时从电源吸取的电流最低,也就使IIN2RS损耗最小。而在其它工作点,VPS和VIN之间的所有耗能元件上会产生比较大的功率损耗。系统效率会明显地下降。不过可以通过降低RS来避免这个问题。电源效率[(VIN/VPS) x 100%] 只需简单地用VPS去除等式[8]得到:

公式9

从该方程很容易得到能量损耗,并且图3分析曲线中的有关参数也可以从中得到。举例来说,如果串联电阻(RS)等于零,电阻负载线的斜率将会变为无穷大。那么负载线就成为一条通过VPS的垂直线。在此情况下,VIN+ = VPS,效率为100%。随着RS从0Ω增加,负载线继续通过VPS,但越来越向左侧倾斜。同时,VIN+和VIN-汇聚于VPS/2,这也是50%效率点。当负载线相切于I-V曲线时,方程[8]只有一个解。对于更大的RS,方程没有实数解,DC-DC转换器将无法正常工作。

 

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