電源內(nèi)阻：扼殺DC-DC轉(zhuǎn)換效率的元兇

摘要：DC-DC轉(zhuǎn)換器常用于采用電池供電的便攜式及其它高效系統(tǒng)，在對(duì)電源電壓進(jìn)行升壓、降壓或反相時(shí)，其效率高于95%。電源內(nèi)阻是限制效率的一個(gè)重要因素。本文描述了電源內(nèi)阻的對(duì)效率的影響、介紹了如何計(jì)算效率、實(shí)際應(yīng)用中需要注意的事項(xiàng)、設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)、并給出了一個(gè)實(shí)際應(yīng)用示例。

DC-DC轉(zhuǎn)換器非常普遍地應(yīng)用于電池供電設(shè)備或其它要求省電的應(yīng)用中。類(lèi)似于線(xiàn)性穩(wěn)壓器，DC-DC轉(zhuǎn)換器能夠產(chǎn)生一個(gè)更低的穩(wěn)定電壓。然而，與線(xiàn)性穩(wěn)壓器不同的是，DC-DC轉(zhuǎn)換器還能夠提升輸入電壓或?qū)⑵浞聪嘀烈粋€(gè)負(fù)電壓。還有另外一個(gè)好處，DC-DC轉(zhuǎn)換器能夠在優(yōu)化條件下給出超過(guò)95%的轉(zhuǎn)換效率。但是，該效率受限于耗能元件，一個(gè)主要因素就是電源內(nèi)阻。

電源內(nèi)阻引起的能耗會(huì)使效率降低10%或更多，這還不包括DC-DC轉(zhuǎn)換器的損失！如果轉(zhuǎn)換器具有足夠的輸入電壓，輸出將很正常，并且沒(méi)有明顯的跡象表明有功率被浪費(fèi)掉。

幸好，測(cè)量輸入效率是很簡(jiǎn)單的事情(參見(jiàn)電源部分)。

較大的電源內(nèi)阻還會(huì)產(chǎn)生其它一些不太明顯的效果。極端情況下，轉(zhuǎn)換器輸入會(huì)進(jìn)入雙穩(wěn)態(tài)，或者，輸出在最大負(fù)載下會(huì)跌落下來(lái)。雙穩(wěn)態(tài)意指轉(zhuǎn)換器表現(xiàn)出兩種穩(wěn)定的輸入狀態(tài)，兩種狀態(tài)分別具有各自不同的效率。轉(zhuǎn)換器輸出仍然正常，但系統(tǒng)效率可能會(huì)有天壤之別(參見(jiàn)如何避免雙穩(wěn)態(tài))。

只是簡(jiǎn)單地降低電源內(nèi)阻就可以解決問(wèn)題嗎？不然，因?yàn)槭軐?shí)際條件所限，以及對(duì)成本/收益的折衷考慮，系統(tǒng)可能要求另外的方案。例如，合理選擇輸入電源電壓能夠明顯降低對(duì)于電源內(nèi)阻的要求。對(duì)于DC-DC轉(zhuǎn)換器來(lái)講，更高的輸入電壓限制了對(duì)輸入電流的要求，同時(shí)也降低了對(duì)電源內(nèi)阻的要求。從總體觀點(diǎn)講，5V至2.5V的轉(zhuǎn)換，可能會(huì)比3.3V至2.5V的轉(zhuǎn)換效率高得多。必須對(duì)各種選擇進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文的目標(biāo)就是提供一種分析的和直觀的方法，來(lái)簡(jiǎn)化這種評(píng)價(jià)任務(wù)。

系統(tǒng)縱覽

如圖1所示，任何常規(guī)的功率分配系統(tǒng)都可劃分為三個(gè)基本組成部分：電源、調(diào)節(jié)器(在此情況下為DC-DC轉(zhuǎn)換器)和負(fù)載。電源可以是一組電池或一個(gè)穩(wěn)壓或未經(jīng)穩(wěn)壓的直流電源。不幸的是，還有各種各樣的耗能元件位于直流輸出和負(fù)載之間，成為電源的組成部分：電壓源輸出阻抗、導(dǎo)線(xiàn)電阻以及接觸電阻、PCB焊盤(pán)、串聯(lián)濾波器、串聯(lián)開(kāi)關(guān)、熱插拔電路等的電阻。這些因素會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)效率。


圖1. 三個(gè)基本部分組成的標(biāo)準(zhǔn)功率分配系統(tǒng)

計(jì)算和測(cè)量電源效率非常簡(jiǎn)單。EFF_SOURCE = (送入調(diào)節(jié)器的功率)/(V_PS輸出功率) x 100%：



假設(shè)調(diào)節(jié)器在無(wú)負(fù)載時(shí)的吸取電流可以忽略，電源效率就可以根據(jù)調(diào)節(jié)器在滿(mǎn)負(fù)載時(shí)的V_IN，與調(diào)節(jié)器空載時(shí)的V_IN之比計(jì)算得出。

調(diào)節(jié)器(DC-DC轉(zhuǎn)換器)由控制IC和相關(guān)的分立元件組成。其特性在制造商提供的數(shù)據(jù)資料中有詳細(xì)描述。DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率EFF_DCDC = (轉(zhuǎn)換器輸出功率)/(轉(zhuǎn)換器輸入功率) x 100%：



正如制造商所說(shuō)明的，該效率是輸入電壓、輸出電壓和輸出負(fù)載電流的函數(shù)。許多情況下，負(fù)載電流的變化量超出兩個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)，效率的變化不超出幾個(gè)百分點(diǎn)。因?yàn)檩敵鲭妷汗潭ú蛔?，也可以說(shuō)，在超過(guò)兩個(gè)數(shù)量級(jí)的“輸出功率范圍”內(nèi)，效率僅變化幾個(gè)百分點(diǎn)。

當(dāng)輸入電壓最接近輸出電壓時(shí)，DC-DC轉(zhuǎn)換器具有最高的效率。如果輸入的改變還沒(méi)有達(dá)到數(shù)據(jù)資料所規(guī)定的極端情況，那么，轉(zhuǎn)換器的效率常?？梢越茷?5%至95%之間的一個(gè)常數(shù)：



本文的討論中，將DC-DC轉(zhuǎn)換器看作為一個(gè)雙端口黑匣子。如對(duì)DC-DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)感興趣，可查閱參考文獻(xiàn)1