源电阻DC-DC转换器电路中的效率杀手

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 转换器可以提升输入电压或将其反相以产生负电压。此外，DC-DC 转换器在最佳条件下的效率超过 95%。然而，这种效率受到耗散组件的限制。主要原因是电源中的电阻。

源电阻造成的损耗会使效率降低 10% 或更多，不包括 DC-DC 转换器中的损耗！如果转换器有足够的输入电压，它的输出将是正常的，并且可能没有明显的迹象表明功率被浪费了。

幸运的是，测试输入效率是一件简单的事情（参见源代码部分）。

较大的源电阻会导致其他不太明显的影响。在极端情况下，转换器的输入会变为双稳态，或者在最大负载条件下其输出会下降。双稳态意味着转换器表现出两种稳定的输入条件，每一种都有自己的效率。转换器输出正常，但系统效率可能会受到极大影响（请参阅如何避免双稳态）。

这个问题是否应该简单地通过最小化源电阻来解决？不，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。从系统的角度来看，5V 到 2.5V 的转换可能比 3.3V 到 2.5V 的转换效率更高。必须评估每个选项。本文的目标是提供分析和直观的工具来简化评估任务。

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。电源可以是电池或稳压或非稳压的直流电源。不幸的是，源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 板焊盘、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. 稳压配电系统具有三个基本部分。

源效率的计算和测量非常简单。EFF来源等于（提供给稳压器的功率）/（V PS提供的功率）乘以 100%：



假设稳压器在空载时消耗的电流可以忽略不计，您可以将电源效率测量为 V IN与稳压器满载时的比率在稳压器空载时加载到 V IN。

稳压器（DC-DC 转换器）由控制器 IC 和相关的分立元件组成。其特性在制造商的数据表中进行了描述。DC-DC 转换器 (EFF DCDC ) 的效率等于（转换器提供的功率）/（提供给转换器的功率）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，效率变化不超过几个百分点并不罕见。因为输出电压是固定的，我们可以说效率在超过两个数量级的“输出功率范围”内变化只有几个百分点。

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表规格而言不是极端的，则转换器的效率通常可以近似为介于 75% 和 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。负载包括要驱动的设备和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表中，因此该数量被特别排除在外。负载效率 (EFF LOAD ) 等于（传递给负载的功率）/（DC-DC 转换器传递的功率）乘以 100%：



优化系统设计的关键在于分析和理解 DC-DC 转换器与其源之间的相互作用。为此，我们首先定义一个理想转换器，然后计算电源效率，然后根据代表性 DC-DC 转换器的测量数据测试我们的假设，在本例中为 MAX1626 降压稳压器。

理想的 DC-DC 转换器应具有 100% 的效率，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。它也可以任意小并且免费提供！然而，对于这个分析，我们只假设转换器的效率是恒定的，这样输入功率与输出功率成正比：



对于给定的负载，这个条件意味着输入电流 - 电压 (IV) 曲线是双曲线的并且呈现负在其整个范围内的差分电阻特性（图 2）。该图显示了 DC-DC 转换器的 IV 曲线作为增加输入功率的函数。对于具有动态负载的实际系统，这些曲线也是动态的。也就是说，随着负载需要更多电流，功率曲线会远离原点。从输入端口而不是输出端口考虑稳压器是一个不寻常的观点。毕竟，稳压器旨在提供恒定电压（有时是恒定电流）输出。它们的规格主要描述了输出特性（输出电压范围、输出电流范围、输出纹波、瞬态响应等）。然而，输入显示了一个奇怪的特性：在其工作范围内，它充当恒功率负载（参考文献 4）。除其他任务外，恒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。

我们现在有足够的信息来计算源的功耗和效率。因为电源电压（V PS ）的开路值已经给定，所以我们只需要找到DC-DC转换器的输入电压（V IN）。根据等式 [5]，求解 I IN：



I IN也可以根据 V PS、 V IN和 R S求解：



使等式 [6] 和 [7] 的表达式相等并求解 V IN：



理解它们的含义，以图形方式可视化方程 [6] 和 [7] 非常有启发性（图 3）。电阻负载线是方程 [7] 所有可能解的图，DC-DC IV 曲线是方程 [6] 所有可能解的图。这些曲线的交点代表了这对联立方程的解，定义了 DC-DC 转换器输入端的稳定电压和电流。因为 DC-DC 曲线代表恒定的输入功率，所以 (V IN )(I IN ) = (V IN -) (I IN -)。（ 和 - 后缀是指公式 [8] 预测的两个解，并对应于分子中的 ± 符号。）


图 3. 该图将源电阻的负载线叠加在 DC-DC 转换器的 IV 曲线上。

最佳工作点为 V IN /I IN ，通过从电源汲取最小电流，将 I IN 2R S损耗降至最低。另一个工作点会在 V PS和 V IN之间的任何耗散组件中产生较大的功率耗散。系统效率急剧下降。但是您可以通过保持 R S足够低来避免此类问题。源效率 [(V IN /V PS ) x 100%] 是简单的等式 [8] 除以 V PS：



在等式中很容易迷失，其中包含图 3 的负载线分析图的值. 请注意，例如，如果串联电阻（R S) 等于零，电阻负载线斜率变为无限大。那么负载线将是一条穿过V PS的垂直线。此时 V IN = V PS且效率为 100%。随着 R S从 0Ω 增加，负载线继续通过 V PS但越来越向左倾斜。同时，V IN 和 V IN-收敛于 V PS /2，这也是 50% 的效率点。当负载线与IV曲线相切时，方程[8]只有一个解。对于较大的 R S，方程没有实解，DC-DC 转换器不再正常工作。