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电源DCDC转换内阻与效率
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。
如图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-D
C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。
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)x100%:
IIjNI-VpsI
VPS
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之比计算得岀。
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)x100%:
H^rnr=¥£紆川咖
正如制造商所说明的,该效率是输入电压、输岀电压和输岀负载电流的函数。
许多情况下,负载电流的变化量超岀两个数量级时,效率的变化不超岀几个百分点。
因为输岀电压固定不变,也可以说,在超过两个数量级的—输岀功率范围内,效率仅变化几个百分点。
定的极端情况,那么,转换器的效率常常可以近似为
当输入电压最接近输岀电压时,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75%至95%之间的一个常数:
EH5cdc
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143。
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转换器的输岀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)x100%:
11OAD
"'「""I':
I邓.
|hnrr*iv<)rr1
|4|
予严I)(]QQ骑
Vutn
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。
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岀电压范围,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岀功率:
Is1
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岀负的微分电阻
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,而非输岀端口,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)输岀。
其参数主要是用来描述输岀特性(输岀电压范围、输
岀电流范围、输岀纹波、瞬态响应等等)。
而在输入端口,会表现岀一些奇特的特性:
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。
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:
j_^bin,ixix^
,N_
(DC^DCchiiriicicnstic)|6]
IIN还可以根据VPS、VIN和RS求出:
PI
(ivsislivckxid-lirk?
chm\Ktcrislici
联合等式⑹和等式[7]可以解出VIN:
VlN
IN
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-DCI-V曲线则是等式⑹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-)。
(下标一+和一I表示式[8]给出的两个解,并对应于分子中的±符号。
)
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)x100%]只需简单地用VPS去除等式[8]得到:
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0Q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。
如何比较上述理想输入曲线和一个实际的DC-DC转换器的真实情况?
为解答这个问题,我们对一个标准的MAX1626评估组件(图4)进行测试,它被配置为3.3V输出,输出端接一个6.6Q的负载电阻,测试其输入I-V曲线(图5)。
立即可以发现一些明显的非理想特性。
例如,对于非常低的输入电压,输入电流是零。
内
置的欠压锁定(表示为VL)保证DC-DC转换器对于所有低于VL的输入电压保持关断,否则,在启动阶段
会从电源吸出很大的输入电流。
MAX1626INPUTCHARACTERISTICS
(3.3VOUT,Q.5AUAD)
BOO
图5.在VMIN以上,MAX1626的输入I-V特性非常接近于90%效率的理想器件
当VIN超过VL时,输入电流向最大值攀升,并在VOUT首次到达预定输出电压(3.3V)时达到最大。
相应
的输入电压(VMIN)是DC-DC转换器产生预定输出电压所需的最低值。
当VIN>VMIN时,90%效率的恒
功率曲线非常接近于MAX1626的输入曲线。
与理想曲线的偏离,主要是由于DC-DC转换器的效率随输入电压的变化发生了微小改变。
电源设计者必须保证DC-DC转换器永远不进入双稳态。
当系统的负载线与DC-DC转换器曲线的交点位于
或低于VMIN/IMAX(图6)时就有可能形成双稳态。
图6.从该图可以更为清楚地观察到造成双稳态甚至三稳态的相交点
取决于负载线的斜率和位置,一个系统可能会有两个甚至三个稳态。
应该注意的是,较低的VPS可能会使
负载线只有一个位于VL和VMIN间的单一交点,导致系统处于稳态,但却不能正常工作!
因此,作为一个
规则,负载线一定不能接触到DC-DC转换器曲线的顶端,而且不能移到它的下方。
在图6中,负载线电阻(RS,数值等于-1/斜率)有一个上限,称为RBISTABLE:
训取'max=斎盂二77而|H|
Ihurvicnv.
1:
卜1'口丁竺1牛聊声I勺目二“可収
卩uirr
电源内阻(RS)应该始终小于RBISTABLE。
否则的话,就有严重降低工作效率或使DC-DC转换器完全停止
工作的危险。
对于一个实际系统,将[9]式所表示的电源效率及其内阻之间的关系,用图形表示出来会更有助于理解(图7)
。
假设有下列条件:
SOURCEEFFICIENCYASAFUNCTIONOFRs
(Pm,ocdc■SOW,Vps■10V,Vmin■2V)
VPS=10V开路电源电压
VMIN=2V保证正常工作所需的最小输入电压
PIN=50W输入DC-DC转换器的功率(POUT/EFFDCDC)
利用[12]式,可计算出RBISTABLE为0.320Q。
方程[9]的图形表明,电源效率随着RS的增加而跌落,在R
S=RBISTABLE时跌落达20%。
注意:
该结论并不具有普遍性,对于每个应用,必须分别进行计算。
RS
的来源之一,是所有电源无法避免的、有限的输岀电阻,它可通过负载调整来确定,后者通常定义为:
|13|
[Ml
负载调整=
Pnwcr-SupplvOutputisland?
=
*卜1!
1丄-1&JLMJi
IhJU.-LOAD
所以,
Pci^vr-Supply<)mpui皿忡曲汕尿=
加廻ryguliiHon・¥凶0_|0扣)1
h^ULL-LOAb(ID(切
一个具有1%负载调整的5V/10A电源,输出电阻仅5.0mQ—对于10A负载还不算大。
搞清楚多大的电源内阻(RS)可以接受,以及该项参数对于系统效率有什么样的影响,是很有必要的。
前面已经提到,RS必须低于RBISTABLE,但是,究竟应该低多少?
要回答这个问题,可以根据[9]式,解出R
S和EFFSOURCE的关系,并分别求出EFFSOURCE为95%、90%和85%时的对应值。
RS95是在给定的输
入输出条件下,95%电源效率所对应的RSo考虑以下四个采用普
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