dc-dc转换器常见于电池驱动、便携式和其他高效系统中,可提供超过95%的效率,同时提升、降低或反相电源电压。电源中的电阻是限制效率的最重要因素之一。本应用笔记介绍了源电阻的影响、如何计算效率、实际考虑因素、设计考虑因素,并展示了一个实际示例。
dc-dc 转换器通常用于电池供电设备和其他节能应用。与线性稳压器一样,dc-dc转换器可以调节到较低的电压。然而,与线性稳压器不同的是,dc-dc转换器可以升压或反相输入电压以产生负电压。另外,dc-dc转换器在最佳条件下的效率高于95%。然而,这种效率受到耗散元件的限制。主要原因是电源中的电阻。
源电阻引起的损耗会使效率降低10%或更多,不包括dc-dc转换器的损耗!如果转换器具有足够的输入电压,则其输出将正常,并且可能没有明显的迹象表明功耗正在浪费。
幸运的是,测试输入效率是一件简单的事情(请参阅源部分)。
较大的源电阻会导致其他不太明显的影响。在极端情况下,转换器的输入可能变为双稳态,或者在最大负载条件下其输出可能降低。双稳态意味着转换器表现出两种稳定的输入条件,每种条件都有自己的效率。转换器输出正常,但系统效率可能会受到严重影响(请参见如何避免双稳态)。
是否应该通过最小化源电阻来解决这个问题?否,因为系统带来的实际限制和成本/收益权衡可能会提出其他解决方案。例如,谨慎选择电源输入电压可以大大减少对低源电阻的需求。dc-dc 转换器的较高输入电压限制了输入电流要求,从而减少了对低源电阻的需求。从系统角度来看,5v至2.5v的转换可能比3.3v至2.5v的转换效率高得多。必须评估每个选项。本文的目的是提供分析和直观的工具来简化评估任务。
系统视图
如图1所示,任何稳压配电系统都可以分为三个基本部分:电源、稳压器(在本例中为dc-dc转换器)和负载。电源可以是稳压或非稳压的电池或直流电源。不幸的是,源极还包括直流电压和负载之间的所有耗散元件:电压源输出阻抗;接线电阻;以及触点、pc 板接地、串联滤波器、串联开关、热插拔电路等的电阻。这些元件会严重降低系统效率。
图1.受监管的配电系统有三个基本 部分。
源效率的计算和测量非常简单。伊芙源等于(输送到稳压器的功率)/(v 提供的功率)附言) 乘以 100%:
假设稳压器在空载时消耗的电流可以忽略不计,则可以将源极效率测量为v之比在稳压器满载至 v在在调节器卸载的情况下。
稳压器(dc-dc转换器)由控制器ic和相关分立元件组成。其特性在制造商的数据表中进行了描述。dc-dc 转换器 (eff ) 的效率直流直流) 等于(转换器提供的功率)/(传递到转换器的功率)乘以 100%:
根据制造商的规定,该效率是输入电压、输出电压和输出负载电流的函数。在超过两个数量级的负载电流范围内,效率变化不超过百分之几并不罕见。由于输出电压是固定的,因此我们可以说,在超过两个数量级的“输出功率范围”中,效率仅变化了百分之几。
当输入电压最接近输出电压时,dc-dc转换器效率最高。但是,如果输入变化相对于数据手册规格而言不是极端的,则转换器的效率通常可以近似为75%至95%之间的常数:
本讨论将dc-dc转换器视为双端口黑匣子。对于那些对dc-dc转换器设计的细微差别感兴趣的人,请参阅参考文献1-3。负载包括要驱动的器件以及与其串联的所有耗散元件,例如pc走线电阻,接触电阻,电缆电阻等。由于 dc-dc 转换器的输出电阻包含在制造商的数据手册中,因此明确排除了该数量。负载效率(eff负荷) 等于(输送到负载的功率)/(dc-dc 转换器提供的功率)乘以 100%:
优化系统设计的关键在于分析和理解dc-dc转换器与其电源之间的相互作用。为此,我们首先定义一个理想的转换器,然后计算源极效率,然后根据具有代表性的dc-dc转换器μ在本例中为max1626降压稳压器的实测数据来测试我们的假设。
理想的直流-直流转换器
理想的dc-dc转换器应具有100%的效率,可在任意输入和输出电压范围内工作,并向负载提供任意电流。它也将是任意小的,可以免费获得!然而,对于此分析,我们仅假设转换器的效率是恒定的,因此输入功率与输出功率成正比:
对于给定负载,这种情况意味着输入电流-电压 (i-v) 曲线是双曲线的,并且在其整个范围内表现出负差分电阻特性(图 2)。该图显示了 dc-dc 转换器的 i-v 曲线作为输入功率增加的函数。对于具有动态载荷的实际系统,这些曲线也是动态的。也就是说,当负载需要更多电流时,功率曲线会远离原点。考虑从输入端口而不是输出端口使用稳压器是一种不寻常的观点。毕竟,稳压器旨在提供恒定电压(有时是恒定电流)输出。其规格主要描述输出特性(输出电压范围、输出电流范围、输出纹波、瞬态响应等)。然而,输入显示出一个奇怪的特性:在其工作范围内,它充当恒定功率负载(参考文献4)。除其他任务外,恒定功率负载在电池测试仪的设计中很有用。
图2.这些双曲线表示dc-dc转换器的恒定功率输入特性。
计算源效率
我们现在有足够的信息来计算电源的功耗,从而计算其效率。由于给出了源电压(vps)的开路值,因此我们只需要找到dc-dc转换器的输入电压(vin)。根据等式 [5],求解 iin:
iin也可以用vps,vin和rs来解决:
将方程 [6] 和 [7] 中的表达式相等并求解 vin:
要理解它们的含义,以图形方式可视化方程 [6] 和 [7] 是非常有启发性的(图 3)。电阻负载线是方程 [7] 的所有可能解的图,dc-dc i-v 曲线是方程 [6] 的所有可能解的图。这些曲线的交点表示联立方程对的解,定义了 dc-dc 转换器输入端的稳定电压和电流。由于 dc-dc 曲线表示恒定输入功率,因此 (vin+)(iin+) = (vin-) (iin-)。(+ 和 - 后缀是指方程 [8] 预测的两个解,对应于分子中的±符号。
图3.该图在 dc-dc 转换器的 i-v 曲线上叠加了源电阻的负载线。
最佳工作点为 vin+/iin+,通过从电源吸收最小电流来最大限度地降低 iin2rs 损耗。另一个工作点会导致vps和vin之间的任何耗散元件出现较大的功耗。系统效率急剧下降。但是您可以通过保持足够低的 rs 来避免此类问题。源效率 [(vin/vps) x 100%] 只需等式 [8] 除以 vps:
很容易迷失在方程中,这就是图3的负载线分析图的值。例如,请注意,如果串联电阻(rs)等于零,则电阻负载线斜率变为无穷大。然后,负载线将是一条通过 vps 的垂直线。此时 vin+ = vps,效率将是 100%。当rs从0ω增加时,负载线继续通过vps,但越来越向左倾斜。同时,vin+ 和 vin- 汇聚在 vps/2 上,这也是 50% 的效率点。当负载线与 i-v 曲线相切时,方程 [8] 只有一个解。对于较大的rs,方程没有实际解,dc-dc转换器不再正常工作。
dc-dc 转换器:理论与实践
这些理想输入曲线与实际dc-dc转换器的曲线相比如何?为了解决这个问题,为标准max1626评估板(图4)配置了3.3v输出电压和6.6ω负载电阻。然后,我们测量了输入的i-v曲线(图5)。几个不理想的特征立即显现出来。请注意,例如,对于非常低的输入电压,输入电流为零。内置欠压锁定(表示为 vl) 确保 dc-dc 转换器在低于 v 的所有输入电压下均处于关闭状态l.否则,在启动期间可能会从电源吸收较大的输入电流。
图4.标准dc-dc转换器电路说明了图3的思路。
图5.以上 v最低,max1626输入i-v特性与效率为90%的理想器件非常匹配。
当vin超过vl时,输入电流攀升至vout首次达到预设输出电压(3.3v)时的最大值。相应的输入电压 (vmin) 是 dc-dc 转换器产生预设输出电压所需的最小值。对于vin>vmin,90%效率的恒定功率曲线与max1626输入曲线非常接近。与理想值不同的变化主要是由于dc-dc转换器效率与其输入电压的函数关系而发生的微小变化。
如何避免双稳态
电源设计人员还必须保证dc-dc转换器永远不会变为双稳态。在负载线与 dc-dc 转换器曲线相交且低于 v 或低于 v 的系统中,双稳态是可能的最低/我.max(图6)。
图6.仔细观察交点表明双稳态甚至三稳态操作的可能性。
根据负载线的坡度和位置,系统可以是双稳态的,甚至是三稳态的。请注意,较低的 vps 值可能允许负载线在 vl 和 vmin 之间的单个点相交,从而产生稳定但无法正常工作的系统!因此,负载线通常不得接触dc-dc转换器曲线的尖点,也不得低于该曲线。
在图6中,负载线电阻(rs,其值为 -1/斜率)的上限称为 r双 稳态:
源电阻(rs) 应始终小于 r双 稳态.如果违反此规则,则存在运行效率极低或 dc-dc 转换器完全关闭的风险。
一个实际案例
对于实际系统,绘制公式[9]所示的源效率和源电阻之间的关系可能会有所帮助(图7)。假设满足以下条件:
图7.此源效率与源电阻的关系图表示给定 r 的多个效率值
vps= 10v 开路电源电压
vmin 2v 最小输入电压,确保正常运行
pin = dc-dc 转换器输入的功率为 50w (p外/伊芙直流直流).
使用公式[12],rbistable可以计算为0.320ω。随后,方程 [9] 的图显示,源效率随着 rs 的增加而下降,在 rs = rbistable 时损失 20%。注意:此结果不能一概而论。您必须为每个应用程序执行计算。rs 的一个组成部分是所有电源中的有限输出电阻,由负载调整率决定,通常定义为:
负载调整率 =
例如,负载调整率为5%的10v/1a电源的输出电阻仅为5.0mω,对于10a负载来说并不多。
常见应用的源效率
了解源电阻(rs) 可以容忍以及此参数如何影响系统效率。rs必须小于 r双 稳态,如前所述,但它应该低多少?要回答这个问题,请求解 r 的方程 [9]s就eff而言源,用于 eff源值为 95%、90% 和 85%。rs95 是 rs在给定输入和输出条件下产生 95% 源效率的值。考虑以下四个使用常见dc-dc转换器系统的示例应用。
例1从3v获得3.5v,负载电流为2a。对于 95% 的电源效率,请注意将 5v 电源和 dc-dc 转换器输入之间的电阻保持在 162m/ 以下。请注意,rs90 = r双 稳态碰巧。r 的此值s90 还意味着效率很容易达到 10% 到 90%!请注意,系统效率(与源极效率相对)是源极效率、dc-dc 转换器效率和负载效率的乘积。
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
示例2与示例1类似,但输出电流能力(20a与2a)。请注意,95%源极效率的串联电阻要求低10倍(16mω与162mω)。要实现这种低电阻,请使用 2 盎司铜 pc 走线。
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
实施例3从1.6v(即5v-4%)的源电压获得5.5v/10a。r的系统要求为111mωs可以满足95,但不容易。
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
示例4与示例3相同,但电源电压更高(vps= 15v 而不是 4.5v)。请注意有用的权衡:输入和输出电压差的大幅增加导致dc-dc转换器的效率下降,但整体系统效率得到改善。rs不再是问题,因为大 rs很容易达到95值(>1ω)。例如,具有输入滤波器和长输入线路的系统可以保持95%或更高的源效率,而无需特别注意线路宽度和连接器电阻。
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
结论
在查看dc-dc转换器规格时,很容易通过将电源电压设置为尽可能接近输出电压来最大化效率。但是,此策略可能会对布线、连接器和走线布局等元素施加不必要的限制,从而增加成本。系统效率甚至可能受到影响。本文中介绍的分析工具应该使这种电源系统权衡更加直观和明显。
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