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電源內阻：扼殺DC-DC轉換效率的元兇
發布者：diyadmin 發布時間：2013-8-21 11:43:57 閱讀：2158次
DC-DC轉換器非常普遍地應用于電池供電設備或其它要求省電的應用中。類似于線性穩壓器，DC-DC轉換器能夠產生一個更低的穩定電壓。然而，與線性穩壓器不同的是，DC-DC轉換器還能夠提升輸入電壓或將其反相至一個負電壓。還有另外一個好處，DC-DC轉換器能夠在優化條件下給出超過95%的轉換效率。但是，該效率受限于耗能元件，一個主要因素就是電源內阻。
電源內阻引起的能耗會使效率降低10%或更多，這還不包括DC-DC轉換器的損失！如果轉換器具有足夠的輸入電壓，輸出將很正常，并且沒有明顯的跡象表明有功率被浪費掉。
幸好，測量輸入效率是很簡單的事情(參見電源部分)。
較大的電源內阻還會產生其它一些不太明顯的效果。極端情況下，轉換器輸入會進入雙穩態，或者，輸出在最大負載下會跌落下來。雙穩態意指轉換器表現出兩種穩定的輸入狀態，兩種狀態分別具有各自不同的效率。轉換器輸出仍然正常，但系統效率可能會有天壤之別(參見如何避免雙穩態)。
只是簡單地降低電源內阻就可以解決問題嗎？不然，因為受實際條件所限，以及對成本/收益的折衷考慮，系統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于電源內阻的要求。對于DC-DC轉換器來講，更高的輸入電壓限制了對輸入電流的要求，同時也降低了對電源內阻的要求。從總體觀點講，5V至2.5V的轉換，可能會比3.3V至2.5V的轉換效率高得多。必須對各種選擇進行評價。本文的目標就是提供一種分析的和直觀的方法，來簡化這種評價任務。
圖1. 三個基本部分組成的標準功率分配系統
計算和測量電源效率非常簡單。EFFSOURCE = (送入調節器的功率)/(VPS輸出功率) x 100%：
假設調節器在無負載時的吸取電流可以忽略，電源效率就可以根據調節器在滿負載時的VIN，與調節器空載時的VIN之比計算得出。
調節器(DC-DC轉換器)由控制IC和相關的分立元件組成。其特性在制造商提供的數據資料中有詳細描述。DC-DC轉換器的效率EFFDCDC = (轉換器輸出功率)/(轉換器輸入功率) x 100%：
正如制造商所說明的，該效率是輸入電壓、輸出電壓和輸出負載電流的函數。許多情況下，負載電流的變化量超出兩個數量級時，效率的變化不超出幾個百分點。因為輸出電壓固定不變，也可以說，在超過兩個數量級的“輸出功率范圍”內，效率僅變化幾個百分點。
當輸入電壓最接近輸出電壓時，DC-DC轉換器具有最高的效率。如果輸入的改變還沒有達到數據資料所規定的極端情況，那么，轉換器的效率常�？梢越茷�75%至95%之間的一個常數：
本文的討論中，將DC-DC轉換器看作為一個雙端口黑匣子。如對DC-DC轉換器的設計細節感興趣，可查閱參考文獻1–3。負載包括需要驅動的設備和所有與其相連的耗能元件，例如PC板線條電阻、接觸電阻、電纜電阻等等。因為DC-DC轉換器的輸出電阻已包含在制造商提供的數據資料中，故在此不再贅述。負載效率EFFLOAD = (送入負載的功率)/(DC-DC轉換器的輸出功率) x 100%：
優化系統設計的關鍵在于分析并理解DC-DC轉換器與其電源之間的相互作用。為此，我們首先定義一個理想的轉換器，然后，計算電源效率，接下來，基于對典型的DC-DC轉換器(在此以MAX1626降壓調節器為例)的測試數據，對我們的假設進行驗證。
電源內阻引起的能耗會使效率降低10%或更多，這還不包括DC-DC轉換器的損失！如果轉換器具有足夠的輸入電壓，輸出將很正常，并且沒有明顯的跡象表明有功率被浪費掉。
幸好，測量輸入效率是很簡單的事情(參見電源部分)。
較大的電源內阻還會產生其它一些不太明顯的效果。極端情況下，轉換器輸入會進入雙穩態，或者，輸出在最大負載下會跌落下來。雙穩態意指轉換器表現出兩種穩定的輸入狀態，兩種狀態分別具有各自不同的效率。轉換器輸出仍然正常，但系統效率可能會有天壤之別(參見如何避免雙穩態)。
只是簡單地降低電源內阻就可以解決問題嗎？不然，因為受實際條件所限，以及對成本/收益的折衷考慮，系統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于電源內阻的要求。對于DC-DC轉換器來講，更高的輸入電壓限制了對輸入電流的要求，同時也降低了對電源內阻的要求。從總體觀點講，5V至2.5V的轉換，可能會比3.3V至2.5V的轉換效率高得多。必須對各種選擇進行評價。本文的目標就是提供一種分析的和直觀的方法，來簡化這種評價任務。
系統縱覽
如圖1所示，任何常規的功率分配系統都可劃分為三個基本組成部分：電源、調節器(在此情況下為DC-DC轉換器)和負載。電源可以是一組電池或一個穩壓或未經穩壓的直流電源。不幸的是，還有各種各樣的耗能元件位于直流輸出和負載之間，成為電源的組成部分：電壓源輸出阻抗、導線電阻以及接觸電阻、PCB焊盤、串聯濾波器、串聯開關、熱插拔電路等的電阻。這些因素會嚴重影響系統效率。圖1. 三個基本部分組成的標準功率分配系統
計算和測量電源效率非常簡單。EFFSOURCE = (送入調節器的功率)/(VPS輸出功率) x 100%：
假設調節器在無負載時的吸取電流可以忽略，電源效率就可以根據調節器在滿負載時的VIN，與調節器空載時的VIN之比計算得出。
調節器(DC-DC轉換器)由控制IC和相關的分立元件組成。其特性在制造商提供的數據資料中有詳細描述。DC-DC轉換器的效率EFFDCDC = (轉換器輸出功率)/(轉換器輸入功率) x 100%：
正如制造商所說明的，該效率是輸入電壓、輸出電壓和輸出負載電流的函數。許多情況下，負載電流的變化量超出兩個數量級時，效率的變化不超出幾個百分點。因為輸出電壓固定不變，也可以說，在超過兩個數量級的“輸出功率范圍”內，效率僅變化幾個百分點。
當輸入電壓最接近輸出電壓時，DC-DC轉換器具有最高的效率。如果輸入的改變還沒有達到數據資料所規定的極端情況，那么，轉換器的效率常�？梢越茷�75%至95%之間的一個常數：
本文的討論中，將DC-DC轉換器看作為一個雙端口黑匣子。如對DC-DC轉換器的設計細節感興趣，可查閱參考文獻1–3。負載包括需要驅動的設備和所有與其相連的耗能元件，例如PC板線條電阻、接觸電阻、電纜電阻等等。因為DC-DC轉換器的輸出電阻已包含在制造商提供的數據資料中，故在此不再贅述。負載效率EFFLOAD = (送入負載的功率)/(DC-DC轉換器的輸出功率) x 100%：
優化系統設計的關鍵在于分析并理解DC-DC轉換器與其電源之間的相互作用。為此，我們首先定義一個理想的轉換器，然后，計算電源效率，接下來，基于對典型的DC-DC轉換器(在此以MAX1626降壓調節器為例)的測試數據，對我們的假設進行驗證。
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