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发布者:来自网络 发布时间:2010-1-14 阅读:11339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


摘要:DC-DC转换器常用于采用电池供电的便携式及其它高效系统,在对电源电压进行升压、降压或反相时,其效率高于95%。电源内阻是限制效率的一个重要因素。本文描述了电源内阻的对效率的影响、介绍了如何计算效率、实际应用中需要注意的事项、设计注意事项、并给出了一个实际应用示例。

DC-DC转换器非常普遍地应用于电池供电设备或其它要求省电的应用中。类似于线性稳压器,DC-DC转换器能够产生一个更低的稳定电压。然而,与线性稳压器不同的是,DC-DC转换器还能够提升输入电压或将其反相至一个负电压。还有另外一个好处,DC-DC转换器能够在优化条件下给出超过95%的转换效率。但是,该效率受限于耗能元件,一个主要因素就是电源内阻。

电源内阻引起的能耗会使效率降低10%或更多,这还不包括DC-DC转换器的损失!如果转换器具有足够的输入电压,输出将很正常,并且没有明显的迹象表明有功率被浪费掉。

幸好,测量输入效率是很简单的事情(参见电源部分)。

较大的电源内阻还会产生其它一些不太明显的效果。极端情况下,转换器输入会进入双稳态,或者,输出在最大负载下会跌落下来。双稳态意指转换器表现出两种稳定的输入状态,两种状态分别具有各自不同的效率。转换器输出仍然正常,但系统效率可能会有天壤之别(参见如何避免双稳态)。

只是简单地降低电源内阻就可以解决问题吗?不然,因为受实际条件所限,以及对成本/收益的折衷考虑,系统可能要求另外的方案。例如,合理选择输入电源电压能够明显降低对于电源内阻的要求。对于DC-DC转换器来讲,更高的输入电压限制了对输入电流的要求,同时也降低了对电源内阻的要求。从总体观点讲,5V至2.5V的转换,可能会比3.3V至2.5V的转换效率高得多。必须对各种选择进行评价。本文的目标就是提供一种分析的和直观的方法,来简化这种评价任务。

系统纵览

图1所示,任何常规的功率分配系统都可划分为三个基本组成部分:电源、调节器(在此情况下为DC-DC转换器)和负载。电源可以是一组电池或一个稳压或未经稳压的直流电源。不幸的是,还有各种各样的耗能元件位于直流输出和负载之间,成为电源的组成部分:电压源输出阻抗、导线电阻以及接触电阻、PCB焊盘、串联滤波器、串联开关、热插拔电路等的电阻。这些因素会严重影响系统效率。

图1. 三个基本部分组成的标准功率分配系统
图1. 三个基本部分组成的标准功率分配系统

计算和测量电源效率非常简单。EFFSOURCE = (送入调节器的功率)/(VPS输出功率) x 100%:

公式1

假设调节器在无负载时的吸取电流可以忽略,电源效率就可以根据调节器在满负载时的VIN,与调节器空载时的VIN之比计算得出。

调节器(DC-DC转换器)由控制IC和相关的分立元件组成。其特性在制造商提供的数据资料中有详细描述。DC-DC转换器的效率EFFDCDC = (转换器输出功率)/(转换器输入功率) x 100%:

公式2

正如制造商所说明的,该效率是输入电压、输出电压和输出负载电流的函数。许多情况下,负载电流的变化量超出两个数量级时,效率的变化不超出几个百分点。因为输出电压固定不变,也可以说,在超过两个数量级的“输出功率范围”内,效率仅变化几个百分点。

当输入电压最接近输出电压时,DC-DC转换器具有最高的效率。如果输入的改变还没有达到数据资料所规定的极端情况,那么,转换器的效率常常可以近似为75%至95%之间的一个常数:

公式3

本文的讨论中,将DC-DC转换器看作为一个双端口黑匣子。如对DC-DC转换器的设计细节感兴趣,可查阅参考文献1–3。负载包括需要驱动的设备和所有与其相连的耗能元件,例如PC板线条电阻、接触电阻、电缆电阻等等。因为DC-DC转换器的输出电阻已包含在制造商提供的数据资料中,故在此不再赘述。负载效率EFFLOAD = (送入负载的功率)/(DC-DC转换器的输出功率) x 100%:

公式4

优化系统设计的关键在于分析并理解DC-DC转换器与其电源之间的相互作用。为此,我们首先定义一个理想的转换器,然后,计算电源效率,接下来,基于对典型的DC-DC转换器(在此以MAX1626降压调节器为例)的测试数据,对我们的假设进行验证。

 

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