手機充電器標準統一及影響

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

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(lèi)似于線(xiàn)性穩壓器，DC-DC轉換器能夠產(chǎn)生一個(gè)更低的穩定電壓。然而，與線(xiàn)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(gè)負電壓。還有另外一個(gè)好處，DC-DC轉換器能夠在優(yōu)化條件下給出超過(guò)95%的轉換效率。但是，該效率受限于耗能元件，一個(gè)主要因素就是電源內阻。

電源內阻引起的能耗會(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(méi)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(jiǎn)單的事情(參見(jiàn)電源部分)。

較大的電源內阻還會(huì )產(chǎn)生其它一些不太明顯的效果。極端情況下，轉換器輸入會(huì )進(jìn)入雙穩態(tài)，或者，輸出在最大負載下會(huì )跌落下來(lái)。雙穩態(tài)意指轉換器表現出兩種穩定的輸入狀態(tài)，兩種狀態(tài)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(huì )有天壤之別(參見(jiàn)如何避免雙穩態(tài))。

只是簡(jiǎn)單地降低電源內阻就可以解決問(wèn)題嗎？不然，因為受實(shí)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(lái)講，更高的輸入電壓限制了對輸入電流的要求，同時(shí)也降低了對電源內阻的要求。從總體觀(guān)點(diǎn)講，5V至2.5V的轉換，可能會(huì )比3.3V至2.5V的轉換效率高得多。必須對各種選擇進(jìn)行評價(jià)。本文的目標就是提供一種分析的和直觀(guān)的方法，來(lái)簡(jiǎn)化這種評價(jià)任務(wù)。

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(gè)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(gè)穩壓或未經(jīng)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(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 )嚴重影響系統效率。


圖1. 三個(gè)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(jiǎn)單。EFF_SOURCE = (送入調節器的功率)/(V_PS輸出功率) x 100%：



假設調節器在無(wú)負載時(shí)的吸取電流可以忽略，電源效率就可以根據調節器在滿(mǎn)負載時(shí)的V_IN，與調節器空載時(shí)的V_IN之比計算得出。

調節器(DC-DC轉換器)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據資料中有詳細描述。DC-DC轉換器的效率EFF_DCDC = (轉換器輸出功率)/(轉換器輸入功率) x 100%：



正如制造商所說(shuō)明的，該效率是輸入電壓、輸出電壓和輸出負載電流的函數。許多情況下，負載電流的變化量超出兩個(gè)數量級時(shí)，效率的變化不超出幾個(gè)百分點(diǎn)。因為輸出電壓固定不變，也可以說(shuō)，在超過(guò)兩個(gè)數量級的“輸出功率范圍”內，效率僅變化幾個(gè)百分點(diǎn)。

當輸入電壓最接近輸出電壓時(shí)，DC-DC轉換器具有最高的效率。如果輸入的改變還沒(méi)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?5%至95%之間的一個(gè)常數：



本文的討論中，將DC-DC轉換器看作為一個(gè)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