DC-DC電源系統的優(yōu)化設計

　　隨著(zhù)電子設備的微型化,緊湊型電子設備的供電是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。目前DC-DC轉換器普遍地應用于電池供電的設備和要求省電的緊湊型電子設備中。應用DC-DC轉換器的目的一方面是要進(jìn)行電壓轉換,給一些器件提供合適的工作電壓,但更重要的是在電壓轉換的同時(shí)保證有較高的系統效率和較小的體積。在正常情況下優(yōu)秀的DC-DC轉換器有高達95%以上的轉換效率。較高的系統效率不僅可以延長(cháng)電池使用周期,也可以進(jìn)一步減小設備體積。

　　經(jīng)分析不難發(fā)現,DC-DC電源的系統效率一方面受限于電源系統本身的耗能元件,如電源內阻、濾波器阻抗、連接導線(xiàn)及接觸電阻等;另一方面與DC-DC轉換器的工作狀態(tài)和電源參數也有很大關(guān)系,合理地配置這些設計參數可以改善系統效率。電源內阻的耗能會(huì )使電源本身的效率降低,同時(shí)也影響到DC-DC轉換器的輸入電壓,因而也影響DC-DC轉換器的轉換效率。在極端情況下,DC-DC轉換器會(huì )進(jìn)入非正常狀態(tài),嚴重時(shí)系統將完全停止工作,即使能正常工作也會(huì )嚴重損失系統效率。所以在設計中合理選擇電源電壓、減小電源內阻、正確選擇DC-DC轉換器的工作點(diǎn)可以有效地改善DC-DC電源的系統效率。DC-DC電源系統的優(yōu)化設計關(guān)鍵在于正確分析電子設備各部分之間(尤其是電源和DC-DC轉換器之間)的相互作用,找出影響電源系統效率的主要因素。

　　1 一般電子設備中的功率分配

　　一般含有DC-DC電源的電子系統可以劃分成三部分:電源、電壓調節器(DC-DC轉換器)和負載,如圖1所示。實(shí)際的電源部分可以是電池組或一個(gè)穩壓或未穩壓的直流電源,分析時(shí)可等效為理想的電壓源Vs和電源內阻Rs兩部分。其中Rs包括電源輸出阻抗、串聯(lián)濾波器電阻、導線(xiàn)電阻及接觸電阻等,這些電阻是耗能元件,會(huì )嚴重影響電源效率。電源效率(Es)定義為電壓調節器吸取的功率與電源提供的總功率之比:

　　電壓調節器由控制IC和相關(guān)的外圍元件組成,控制IC的部分特性參數在制造商提供的數據手冊中可以查到。電壓調節器的轉換效率(Ed)定義為DC-DC轉換器向負載部分提供的功率與其輸入功率之比:

　　根據制造商的描述,DC-DC的轉換效率Ed是輸入電壓Vi、輸出電壓Vo和負載電流Io的函數。但在正常情況下,轉換效率Ed對負載電流Io的變化不敏感,當負載電流Io的變化量超出兩個(gè)數量級時(shí),效率的變化不會(huì )超出幾個(gè)百分點(diǎn),因此在非極端情況下DC-DC轉換器的轉換效率通?？梢越茷槌?。但是在極端情況下轉換效率將會(huì )嚴重損失,這一點(diǎn)可以從DC-DC轉換器的輸入特性(如圖2中的①所示)看出。在這里暫且把DC-DC轉換器看成一個(gè)二端口的黑匣子。

　　負載部分和電源部分類(lèi)似,也可等效為有效負載Rl和與其連接的耗能元件Rp。負載部分的效率(Ei)定義為有效負載實(shí)際吸取功率與轉換器提供的輸出功率之比:

　　整個(gè)系統的效率應為Es、Ed、El三部分效率的乘積。由于這三部分是相互影響的,所以系統優(yōu)化設計的關(guān)鍵就在于正確分析三者之間的相互作用,合理配置它們之間的相關(guān)參數以使整個(gè)系統的效率最高。

　　2 影響系統效率的關(guān)鍵因素

　　設系統效率為Ea,那么Ea=EsEdEl

　　由式[1]、[2]、[3]可得:

　　在實(shí)際系統中Vo和Vl由負載電路要求確定,電源部分應提供合適的穩定的電壓給負載。由于DC-DC轉換器內部的特殊設計,Ed在正常狀態(tài)下僅在很小范圍內變化,只要工作點(diǎn)選擇合適,Ed近似為一個(gè)常數。只有Vi、Vs是可選的,所以保證有較高的系統效率的關(guān)鍵在于Vi、Vs的取值。而Vi、Vs又取決于電源與電壓調節器之間的相互作用。根據電路原理,它們之間有這樣的關(guān)系:

　　Vs=IiRs+Vi (5)

　　顯然,為了減小電源內阻的損耗,當Vs選定后應使Ii盡可能小一些,而Vi則盡可能大,這一點(diǎn)也正好與DC-DC轉換器的輸入特性(如圖1中的①所示)相吻合。由DC-DC轉換器的輸入特性可知,在有效工作范圍內Vi大一些意味著(zhù)調節器將吸取較小的電流,這樣電源內阻上的損耗將減小,而輸出幾乎不變。這樣就提高了電源部分的效率。那么怎樣使調節器從電源吸取較小的電流而輸出幾乎不變呢?這就要合理地選取DC-DC轉換器的工作點(diǎn)。

　　3 DC-DC轉換器工作點(diǎn)的選取

　　圖2中①是一般DC-DC轉換器的輸入特性曲線(xiàn),可見(jiàn)它的輸入有一定的動(dòng)態(tài)范圍,其輸入特性曲線(xiàn)可明顯地分成三個(gè)區間。當Vig≤Vi≤Vmin時(shí),DC-DC轉換器處于啟動(dòng)工作的過(guò)渡狀態(tài),此間DC-DC轉換器從電源吸取的電流隨Vi快速上升,直到輸出達到設定值時(shí)輸入電流達到最大值Iimax;在此段內DC-DC轉換器或許能工作,但是系統效率將很低,包括電源效率和DC-DC轉換器的轉換效率都比較低。Vminis區間是DC-DC轉換器的有效工作區,在此區間內DC-DC轉換器有較高的而且比較穩定的轉換效率,所以綜合來(lái)看調節器的工作點(diǎn)應選擇在此段內的高端。

　　圖2中②是電源的阻性負載特性,由(5)式?jīng)Q定,①和②的交點(diǎn)即為DC-DC轉換器的工作點(diǎn)Q。為了使①和②有交點(diǎn)且落在DC-DC轉換器的有效工作區內,必須合理地選取Vs和Rs。其中Rs決定特性方程的斜率,Vs決定特性方程與橫軸的交點(diǎn),所以改變Vs、Rs即可移動(dòng)工作點(diǎn)Q。結合上述分析應盡可能使工作點(diǎn)有較高的Vi。

　　另外由圖可知當Vs選定后,工作點(diǎn)就決定于電源內阻Rs。要使工作點(diǎn)永遠不會(huì )進(jìn)入非有效工作區,負載線(xiàn)斜率(-1/Rsmax)應有一個(gè)極限,即電源內電阻Rs應有一個(gè)上限Rsmax。由圖可知:

　　也就是說(shuō)電源部分與DC-DC轉換器之間的總電阻Rs應保證始終小于Rsmax。否則DC-DC轉換器的工作點(diǎn)就會(huì )進(jìn)入非正常工作區而嚴重損失系統效率,甚至使DC-DC轉換器完全停止工作,這一點(diǎn)在實(shí)際設計中尤為重要。DC-DC電源對電源部分與DC-DC轉換器之間的電阻Rs要求是非常高的。例如將5V電源轉換成3.3V輸出,并提供2A的負載電流,如果選用DC-DC轉換器MAX797芯片(Vmin=4.5V),并保證有90%的轉換效率,則Rs應不大于0.307Ω;若要求有95%的轉換效率,則Rs應不大于0.162Ω?？梢?jiàn)DC-DC電源對電源部分與DC-DC轉換器之間的電阻Rs要求是非常高的。Rs也是影響系統效率的關(guān)鍵因素。

　　綜合上述分析,緊湊型電子設備中DC-DC電源系統效率是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。DC-DC電源系統優(yōu)化設計的關(guān)鍵在于正確分析電源和電壓調節器之間的相互作用,合理地配置電源的參數和調節器的工作點(diǎn),可以有效地改善整個(gè)系統的效率。