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电源内阻:扼杀DC-DC转换效率的元凶

本文摘要:DC-DC转换器十分广泛地应用于电池供电设备或其它拒绝省电的应用于中。类似于线性稳压器,DC-DC转换器需要产生一个更加较低的平稳电压。然而,与线性稳压器有所不同的是,DC-DC转换器还需要提高输出电压或将其转换器至一个胜电压。还有另外一个益处,DC-DC转换器需要在优化条件下得出多达95%的切换效率。 但是,该效率受限于耗电元件,一个主要因素就是电源内阻。

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DC-DC转换器十分广泛地应用于电池供电设备或其它拒绝省电的应用于中。类似于线性稳压器,DC-DC转换器需要产生一个更加较低的平稳电压。然而,与线性稳压器有所不同的是,DC-DC转换器还需要提高输出电压或将其转换器至一个胜电压。还有另外一个益处,DC-DC转换器需要在优化条件下得出多达95%的切换效率。

但是,该效率受限于耗电元件,一个主要因素就是电源内阻。  电源内阻引发的能耗不会使效率减少10%或更加多,这还不还包括DC-DC转换器的损失!如果转换器具备充足的输出电压,输入将很长时间,并且没显著的迹象指出有功率被浪费掉。  幸而,测量输出效率是很非常简单的事情(参看电源部分)。

  较小的电源内阻还不会产生其它一些不过于显著的效果。极端情况下,转换器输出不会转入双稳态,或者,输入在仅次于阻抗持续性跌入下来。双稳态意指转换器展现出出有两种平稳的输出状态,两种状态分别具备各自有所不同的效率。

转换器输入依然长时间,但系统效率可能会有天壤之别(参看如何防止双稳态)。  只是非常简单地减少电源内阻就可以解决问题吗?不然,因为不受实际条件所限,以及对成本/收益的折中考虑到,系统有可能拒绝另外的方案。

例如,合理自由选择输出电源电压需要明显降低对于电源内阻的拒绝。对于DC-DC转换器来讲,更高的输出电压容许了对输出电流的拒绝,同时也减少了对电源内阻的拒绝。从总体观点谈,5V至2.5V的切换,可能会比3.3V至2.5V的切换效率高得多。必需对各种自由选择展开评价。

本文的目标就是获取一种分析的和直观的方法,来修改这种评价任务。  如图1右图,任何常规的功率分配系统都可区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)和阻抗。

电源可以是一组电池或一个稳压或予以稳压的直流电源。意外的是,还有各种各样的耗电元件坐落于直流输入和阻抗之间,沦为电源的组成部分:电压源输出阻抗、导线电阻以及认识电阻、PCB焊盘、串联滤波器、串联电源、热插拔电路等的电阻。这些因素不会严重影响系统效率。图1.三个基本部分构成的标准功率分配系统  计算出来和测量电源效率非常简单。

EFFSOURCE=(送到调节器的功率)/(VPS输出功率)x100%:  假设调节器在无阻抗时的汲取电流可以忽视,电源效率就可以根据调节器在剩阻抗时的VIN,与调节器3组时的VIN之比计算出来得出结论。  调节器(DC-DC转换器)由掌控IC和涉及的分立元件构成。其特性在制造商获取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)/(转换器输出功率)x100%:  正如制造商所解释的,该效率是输出电压、输入电压和输入阻抗电流的函数。许多情况下,阻抗电流的变化量远超过两个数量级时,效率的变化不远超过几个百分点。因为输入电压相同恒定,也可以说道,在多达两个数量级的输出功率范围内,效率仅有变化几个百分点。

  当输出电压最相似输入电压时,DC-DC转换器具备最低的效率。如果输出的转变还没超过数据资料所规定的极端情况,那么,转换器的效率经常可以近似于为75%至95%之间的一个常数:  本文的辩论中,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,可查询参考文献13。阻抗还包括必须驱动的设备和所有与其连接的耗电元件,例如PC板线条电阻、认识电阻、电缆电阻等等。

因为DC-DC转换器的输出电阻已包括在制造商获取的数据资料中,故在此仍然赘述。阻抗效率EFFLOAD=(送到阻抗的功率)/(DC-DC转换器的输出功率)x100%:  优化系统设计的关键在于分析并解读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,计算出来电源效率,接下来,基于对典型的DC-DC转换器(在此以MAX1626升压调节器为事例)的测试数据,对我们的假设展开检验。

  一个理想的DC-DC转换器具备100%的效率,工作于给定的输出和输入电压范围,并须向阻抗获取给定的电流。它也可以给定小,并可随便取得。在本分析中,我们只假设转换器的效率恒定恒定,这样输出功率正比于输出功率:  对于等价阻抗,该式解释输出电流-电压(I-V)间的关系是一条双曲线,并在整个范围内展现出出负的微分电阻特性(图2)。

该图还得出了DC-DC转换器的I-V曲线随着输出功率的减少而再次发生的变化。对于具备动态阻抗的实际系统,这些曲线也是动态变化的。也就是说,当阻抗拒绝更加多电流时,功率曲线不会再次发生移动并靠近初始方位。

从输出端口,而非输入端口,实地考察一个调节器,是一个精致的视点。却是,设计调节器的目的是为了获取一个恒定的电压(有时是恒定电流)输入。其参数主要是用来叙述输出特性(输入电压范围、输入电流范围、输入纹波、瞬态号召等等)。

而在输出端口,不会展现出出有一些奇特的特性:在其工作范围内,它象一个恒功率阻抗(参考文献4)。恒功率阻抗在电池测量仪或其它一些设计中十分简单。

图2.这些双曲线代表DC-DC转换器的恒功率输出特性  现在,我们有了充足的信息来计算出来电源自身的力学系统功率及其效率。因为电源电压的开路值(VPS)早已得出,我们仅有须要找到DC-DC转换器的输出电压(VIN)。从等式[5]求解IIN:  IIN还可以根据VPS、VIN和RS算出:  牵头等式[6]和等式[7]可以求解VIN:  为便于解读其意义,使用图形回应等式[6]和等式[7]是十分直观的(图3)。电阻阻抗线代表等式[7]的所有有可能解法,而DC-DCI-V曲线则是等式[6]的所有有可能解法。

它们的交点就代表联立方程的解法,确认了在DC-DC转换器输出端的平稳电压和电流。因为DC-DC曲线代表恒定的输出功率,(VIN+)(IIN+)=(VIN-)(IIN-)。(上标+和-回应式[8]得出的两个解法,并对应于分子中的符号。)图3.该图在DC-DC转换器的I-V曲线上可选了一条和电源内阻有关的阻抗线  最佳工作点坐落于VIN+/IIN+,工作于该点时从电源汲取的电流低于,也就使IIN2RS损耗大于。

而在其它工作点,VPS和VIN之间的所有耗电元件上不会产生较为大的功率损耗。系统效率不会显著地上升。

不过可以通过减少RS来防止这个问题。电源效率[(VIN/VPS)x100%]只需非常简单地用VPS除去等式[8]获得:  从该方程很更容易获得能量损耗,并且图3分析曲线中的有关参数也可以借此获得。举例来说,如果串联电阻(RS)等于零,电阻阻抗线的斜率将不会变成无穷大。

那么阻抗线就沦为一条通过VPS的垂直线。在此情况下,VIN+=VPS,效率为100%。

随着RS从0减少,阻抗线之后通过VPS,但更加向左侧弯曲。同时,VIN+和VIN-汇集于VPS/2,这也是50%效率点。

当阻抗线切线于I-V曲线时,方程[8]只有一个解法。对于更大的RS,方程没实数解法,DC-DC转换器将无法长时间工作。

  如何较为上述理想输出曲线和一个实际的DC-DC转换器的真实情况?为答案这个问题,我们对一个标准的MAX1626评估组件(图4)展开测试,它被配备为3.3V输入,输入端接一个6.6的负载电阻,测试其输出I-V曲线(图5)。立刻可以找到一些显著的非理想特性。例如,对于非常低的输出电压,输出电流是零。内置的欠压瞄准(回应为VL)确保DC-DC转换器对于所有高于VL的输出电压维持变频器,否则,在启动阶段不会从电源吸走相当大的输出电流。

图4.借以传达图3思想的标准DC-DC切换电路图5.在VMIN以上,MAX1626的输出I-V特性十分相似于90%效率的理想器件  当VIN多达VL时,输出电流向最大值上升,并在VOUT首次抵达预计输入电压(3.3V)时超过仅次于。适当的输出电压(VMIN)是DC-DC转换器产生预计输入电压所需的最低值。当VINVMIN时,90%效率的恒功率曲线十分相似于MAX1626的输出曲线。

与理想曲线的背离,主要是由于DC-DC转换器的效率随输出电压的变化再次发生了微小转变。  电源设计者必需确保DC-DC转换器总有一天不转入双稳态。

当系统的阻抗线与DC-DC转换器曲线的交点坐落于或高于VMIN/IMAX(图6)时就有可能构成双稳态。图6.从该图可以更加确切地仔细观察到导致双稳态甚至三稳态的共线点  各不相同阻抗线的斜率和方位,一个系统可能会有两个甚至三个稳态。应当留意的是,较低的VPS可能会使阻抗线只有一个坐落于VL和VMIN间的单一交点,导致系统正处于稳态,但却无法长时间工作!因此,作为一个规则,阻抗线一定无法认识到DC-DC转换器曲线的顶端,而且无法移至它的下方。

  在图6中,阻抗线电阻(RS,数值相等-1/斜率)有一个下限,称作RBISTABLE:  电源内阻(RS)应当一直大于RBISTABLE。否则的话,就有相当严重减少工作效率或使DC-DC转换器几乎暂停工作的危险性。

  对于一个实际系统,将[9]式所回应的电源效率及其内阻之间的关系,用图形回应出来不会更加有助解读(图7)。假设有下列条件:  图7.。


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