如何減小電源內阻

圖5. 在VMIN以上，MAX1626的輸入I-V特性非常接近于90%效率的理想器件

當VIN超過(guò)VL時(shí)，輸入電流向最大值攀升，并在VOUT首次到達預定輸出電壓(3.3V)時(shí)達到最大。相應的輸入電壓(VMIN)是DC-DC轉換器產(chǎn)生預定輸出電壓所需的最低值。當VIN > VMIN時(shí)，90%效率的恒功率曲線(xiàn)非常接近于MAX1626的輸入曲線(xiàn)。與理想曲線(xiàn)的偏離，主要是由于DC-DC轉換器的效率隨輸入電壓的變化發(fā)生了微小改變。

電源設計者必須保證DC-DC轉換器永遠不進(jìn)入雙穩態(tài)。當系統的負載線(xiàn)與DC-DC轉換器曲線(xiàn)的交點(diǎn)位于或低于VMIN/IMAX (圖6)時(shí)就有可能形成雙穩態(tài)。

圖6. 從該圖可以更為清楚地觀(guān)察到造成雙穩態(tài)甚至三穩態(tài)的相交點(diǎn)

取決于負載線(xiàn)的斜率和位置，一個(gè)系統可能會(huì )有兩個(gè)甚至三個(gè)穩態(tài)。應該注意的是，較低的VPS可能會(huì )使負載線(xiàn)只有一個(gè)位于VL和VMIN間的單一交點(diǎn)，導致系統處于穩態(tài)，但卻不能正常工作!因此，作為一個(gè)規則，負載線(xiàn)一定不能接觸到DC-DC轉換器曲線(xiàn)的頂端，而且不能移到它的下方。

在圖6中，負載線(xiàn)電阻(RS，數值等于-1/斜率) 有一個(gè)上限，稱(chēng)為RBISTABLE：

電源內阻(RS)應該始終小于RBISTABLE。否則的話(huà)，就有嚴重降低工作效率或使DC-DC轉換器完全停止工作的危險。

對于一個(gè)實(shí)際系統，將[9]式所表示的電源效率及其內阻之間的關(guān)系，用圖形表示出來(lái)會(huì )更有助于理解(圖7) 。假設有下列條件：

圖7. 該電源效率隨電源內阻變化曲線(xiàn)說(shuō)明，對于一個(gè)給定的RS值，可能會(huì )有多個(gè)效率值

VPS = 10V 開(kāi)路電源電壓
VMIN = 2V 保證正常工作所需的最小輸入電壓
PIN = 50W 輸入DC-DC轉換器的功率(POUT/EFFDCDC)

利用[12]式，可計算出RBISTABLE為0.320Ω。方程[9]的圖形表明，電源效率隨著(zhù)RS的增加而跌落，在RS = RBISTABLE時(shí)跌落達20%。注意：該結論并不具有普遍性，對于每個(gè)應用，必須分別進(jìn)行計算。RS的來(lái)源之一，是所有電源無(wú)法避免的、有限的輸出電阻，它可通過(guò)負載調整來(lái)確定，后者通常定義為：

負載調整 =

所以，

一個(gè)具有1%負載調整的5V/10A電源，輸出電阻僅5.0mΩ—對于10A負載還不算大。

搞清楚多大的電源內阻(RS)可以接受，以及該項參數對于系統效率有什么樣的影響，是很有必要的。前面已經(jīng)提到，RS必須低于RBISTABLE，但是，究竟應該低多少？要回答這個(gè)問(wèn)題，可以根據[9]式，解出RS和EFFSOURCE的關(guān)系，并分別求出EFFSOURCE為95%、90%和85%時(shí)的對應值。RS95是在給定的輸入輸出條件下，95%電源效率所對應的RS?？紤]以下四個(gè)采用普通DC-DC轉換器的應用實(shí)例。

實(shí)例1：從5V輸入提供3.3V 輸出，負載電流2A 。對于95%的電源效率，需要特別注意的是，保持5V電源和DC-DC轉換器輸入端之間的電阻遠低于162mΩ。注意到RS90 = RBISTABLE。這樣的RS90值同時(shí)說(shuō)明，效率會(huì )同樣容易地從90%變?yōu)?0%！需要注意的是，系統效率(而非電源效率)是電源效率、DC-DC轉換器效率和負載效率三者的乘積。

實(shí)例1. 采用MAX797或MAX1653 DC-DC轉換器的應用(IOUT = 2A)

VPS	VOUT	IOUT	VMIN	EFFDCDC	POUT	RBISTABLE	RS95	RS90	RS85
5V	3.3V	2A	4.5V	90%	6.6W	0.307Ω	0.162Ω	0.307Ω	0.435Ω

實(shí)例2：除輸出電流容量外(從2A變?yōu)?0A)，基本類(lèi)同于實(shí)例1。注意到95%電源效率所要求的電源內阻降低了10倍(從162mΩ到16mΩ)。要獲得如此低的內阻，應采用2oz.敷銅PCB引線(xiàn)。

實(shí)例2. 采用MAX797或MAX1653 DC-DC轉換器的應用(IOUT = 20A)

VPS	VOUT	IOUT	VMIN	EFFDCDC	POUT	RBISTABLE	RS95	RS90	RS85
5V	3.3V	20A	4.5V	90%	66W	0.031Ω	0.016Ω	0.031Ω	0.043Ω

實(shí)例3：從4.5V的電源電壓(即5V-10%)，以5A電流提供1.6V輸出。系統要求111mΩ的RS95，可以達到，但不容易。

實(shí)例3. 有獨立+5V電源的MAX1710 DC-DC轉換器應用(VPS = 4.5V)

VPS	VOUT	IOUT	VMIN	EFFDCDC	POUT	RBISTABLE	RS95	RS90	RS85
4.5V	1.6V	5A	2.5V	92%	8W	0.575Ω	0.111Ω	0.210Ω	0.297Ω

實(shí)例4：與實(shí)例3相同，但具有更高的電源電壓(VPS = 15V，而非4.5V)。請注意一個(gè)很有用的折衷: 大幅度增加輸入、輸出之間的電壓差，會(huì )造成DC-DC轉換器效率單方面的降低，但系統的總體效率得到了改善。RS不再是問(wèn)題，因為比較大的RS95值(>1Ω)很容易滿(mǎn)足。例如，一個(gè)帶有輸入濾波器和長(cháng)輸入線(xiàn)的系統，不需要特別考慮線(xiàn)寬和接插件電阻，就能很容易保證95%的電源效率。

實(shí)例4. 有獨立+5V電源的MAX1710 DC-DC轉換器應用(VPS = 15V)

VPS	VOUT	IOUT	VMIN	EFFDCDC	POUT	RBISTABLE	RS95	RS90	RS85
15V	1.6V	5A	2.5V	86%	8W	3.359Ω	1.149Ω	2.177Ω	3.084Ω

在查閱DC-DC轉換器的特性參數時(shí)，常傾向于將電源電壓設定在盡量接近輸出電壓的值，以便獲得最高的轉換效率。然而，這種策略對于其他一些元件，例如導線(xiàn)、連接器和走線(xiàn)布局等，提出了一些不必要的限制條件，并導致了成本的增加。而系統效率還是受到損害。本文所提供的分析方法，使得這種對于電源系統的折衷考慮更加直觀(guān)和顯而易見(jiàn)。