如何減小電源內阻

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)。

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。EFFSOURCE = (送入調節器的功率)/(VPS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VIN，與調節器空載時(shí)的VIN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EFFDCDC = (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1–3。負載包括需要驅動(dòng)的設備和所有與其相連的耗能元件，例如PC板線(xiàn)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(yōu)化系統設計的關(guān)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(gè)理想的轉換器，然后，計算電源效率，接下來(lái)，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(jìn)行驗證。

一個(gè)理想的DC-DC轉換器具有100%的效率，工作于任意的輸入和輸出電壓范圍，并可向負載提供任意的電流。它也可以任意小，并可隨意獲得。在本分析中，我們只假設轉換器的效率恒定不變，這樣輸入功率正比于輸出功率：

對于給定負載，該式說(shuō)明輸入電流-電壓(I-V)間的關(guān)系是一條雙曲線(xiàn)，并在整個(gè)范圍內表現出負的微分電阻特性(圖2)。該圖還給出了DC-DC轉換器的I-V曲線(xiàn)隨著(zhù)輸入功率的增加而發(fā)生的變化。對于具有動(dòng)態(tài)負載的實(shí)際系統，這些曲線(xiàn)也是動(dòng)態(tài)變化的。也就是說(shuō)，當負載要求更多電流時(shí)，功率曲線(xiàn)會(huì )發(fā)生移動(dòng)并遠離初始位置。從輸入端口，而非輸出端口，考察一個(gè)調節器，是一個(gè)新穎的視點(diǎn)。畢竟，設計調節器的目的是為了提供一個(gè)恒定的電壓(有時(shí)是恒定電流)輸出。其參數主要是用來(lái)描述輸出特性(輸出電壓范圍、輸出電流范圍、輸出紋波、瞬態(tài)響應等等)。而在輸入端口，會(huì )表現出一些奇特的特性：在其工作范圍內，它象一個(gè)恒功率負載(參考文獻4) 。恒功率負載在電池測量?jì)x或其它一些設計中非常有用。

圖2. 這些雙曲線(xiàn)代表DC-DC轉換器的恒功率輸入特性

現在，我們有了足夠的信息來(lái)計算電源自身的耗散功率及其效率。因為電源電壓的開(kāi)路值(VPS)已經(jīng)給出，我們僅需找出DC-DC轉換器的輸入電壓(VIN)。從等式[5]解出IIN：

IIN還可以根據VPS、VIN和RS求出：

聯(lián)合等式[6]和等式[7]可以解出VIN：

為便于理解其意義，采用圖形表示等式[6]和等式[7]是非常直觀(guān)的(圖3)。電阻負載線(xiàn)代表等式[7]的所有可能解，而DC-DC I-V曲線(xiàn)則是等式[6]的所有可能解。它們的交點(diǎn)就代表聯(lián)立方程的解，確定了在DC-DC轉換器輸入端的穩定電壓和電流。因為DC-DC曲線(xiàn)代表恒定的輸入功率，(VIN+)(IIN+) = (VIN-) (IIN-)。(下標“+”和“-”表示式[8]給出的兩個(gè)解，并對應于分子中的±符號。)

圖3. 該圖在DC-DC轉換器的I-V曲線(xiàn)上附加了一條和電源內阻有關(guān)的負載線(xiàn)

最佳工作點(diǎn)位于VIN+/IIN+，工作于該點(diǎn)時(shí)從電源吸取的電流最低，也就使IIN2RS損耗最小。而在其它工作點(diǎn)，VPS和VIN之間的所有耗能元件上會(huì )產(chǎn)生比較大的功率損耗。系統效率會(huì )明顯地下降。不過(guò)可以通過(guò)降低RS來(lái)避免這個(gè)問(wèn)題。電源效率[(VIN/VPS) x 100%] 只需簡(jiǎn)單地用VPS去除等式[8]得到：

從該方程很容易得到能量損耗，并且圖3分析曲線(xiàn)中的有關(guān)參數也可以從中得到。舉例來(lái)說(shuō)，如果串聯(lián)電阻(RS)等于零，電阻負載線(xiàn)的斜率將會(huì )變?yōu)闊o(wú)窮大。那么負載線(xiàn)就成為一條通過(guò)VPS的垂直線(xiàn)。在此情況下，VIN+ = VPS，效率為100%。隨著(zhù)RS從0Ω增加，負載線(xiàn)繼續通過(guò)VPS，但越來(lái)越向左側傾斜。同時(shí)，VIN+和VIN-匯聚于VPS/2，這也是50%效率點(diǎn)。當負載線(xiàn)相切于I-V曲線(xiàn)時(shí)，方程[8]只有一個(gè)解。對于更大的RS，方程沒(méi)有實(shí)數解，DC-DC轉換器將無(wú)法正常工作。

如何比較上述理想輸入曲線(xiàn)和一個(gè)實(shí)際的DC-DC轉換器的真實(shí)情況？為解答這個(gè)問(wèn)題，我們對一個(gè)標準的MAX1626評估組件(圖4)進(jìn)行測試，它被配置為3.3V輸出，輸出端接一個(gè)6.6Ω的負載電阻，測試其輸入I-V曲線(xiàn)(圖5)。立即可以發(fā)現一些明顯的非理想特性。例如，對于非常低的輸入電壓，輸入電流是零。內置的欠壓鎖定(表示為VL)保證DC-DC轉換器對于所有低于VL的輸入電壓保持關(guān)斷，否則，在啟動(dòng)階段會(huì )從電源吸出很大的輸入電流。

圖4. 用以表達圖3思想的標準DC-DC轉換電路