如何減小電源內(nèi)阻

DC-DC轉(zhuǎn)換器非常普遍地應(yīng)用于電池供電設(shè)備或其它要求省電的應(yīng)用中。類似于線性穩(wěn)壓器，DC-DC轉(zhuǎn)換器能夠產(chǎn)生一個(gè)更低的穩(wěn)定電壓。然而，與線性穩(wěn)壓器不同的是，DC-DC轉(zhuǎn)換器還能夠提升輸入電壓或?qū)⑵浞聪嘀烈粋€(gè)負(fù)電壓。還有另外一個(gè)好處，DC-DC轉(zhuǎn)換器能夠在優(yōu)化條件下給出超過95%的轉(zhuǎn)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(nèi)阻。

電源內(nèi)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(zhuǎn)換器的損失！如果轉(zhuǎn)換器具有足夠的輸入電壓，輸出將很正常，并且沒有明顯的跡象表明有功率被浪費(fèi)掉。

幸好，測(cè)量輸入效率是很簡(jiǎn)單的事情(參見電源部分)。

較大的電源內(nèi)阻還會(huì)產(chǎn)生其它一些不太明顯的效果。極端情況下，轉(zhuǎn)換器輸入會(huì)進(jìn)入雙穩(wěn)態(tài)，或者，輸出在最大負(fù)載下會(huì)跌落下來。雙穩(wěn)態(tài)意指轉(zhuǎn)換器表現(xiàn)出兩種穩(wěn)定的輸入狀態(tài)，兩種狀態(tài)分別具有各自不同的效率。轉(zhuǎn)換器輸出仍然正常，但系統(tǒng)效率可能會(huì)有天壤之別(參見如何避免雙穩(wěn)態(tài))。

只是簡(jiǎn)單地降低電源內(nèi)阻就可以解決問題嗎？不然，因?yàn)槭軐?shí)際條件所限，以及對(duì)成本/收益的折衷考慮，系統(tǒng)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(duì)于電源內(nèi)阻的要求。對(duì)于DC-DC轉(zhuǎn)換器來講，更高的輸入電壓限制了對(duì)輸入電流的要求，同時(shí)也降低了對(duì)電源內(nèi)阻的要求。從總體觀點(diǎn)講，5V至2.5V的轉(zhuǎn)換，可能會(huì)比3.3V至2.5V的轉(zhuǎn)換效率高得多。必須對(duì)各種選擇進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文的目標(biāo)就是提供一種分析的和直觀的方法，來簡(jiǎn)化這種評(píng)價(jià)任務(wù)。

如圖1所示，任何常規(guī)的功率分配系統(tǒng)都可劃分為三個(gè)基本組成部分：電源、調(diào)節(jié)器(在此情況下為DC-DC轉(zhuǎn)換器)和負(fù)載。電源可以是一組電池或一個(gè)穩(wěn)壓或未經(jīng)穩(wěn)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(fù)載之間，成為電源的組成部分：電壓源輸出阻抗、導(dǎo)線電阻以及接觸電阻、PCB焊盤、串聯(lián)濾波器、串聯(lián)開關(guān)、熱插拔電路等的電阻。這些因素會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)效率。

圖1. 三個(gè)基本部分組成的標(biāo)準(zhǔn)功率分配系統(tǒng)

計(jì)算和測(cè)量電源效率非常簡(jiǎn)單。EFFSOURCE = (送入調(diào)節(jié)器的功率)/(VPS輸出功率) x 100%：

假設(shè)調(diào)節(jié)器在無負(fù)載時(shí)的吸取電流可以忽略，電源效率就可以根據(jù)調(diào)節(jié)器在滿負(fù)載時(shí)的VIN，與調(diào)節(jié)器空載時(shí)的VIN之比計(jì)算得出。

調(diào)節(jié)器(DC-DC轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)資料中有詳細(xì)描述。DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率EFFDCDC = (轉(zhuǎn)換器輸出功率)/(轉(zhuǎn)換器輸入功率) x 100%：

正如制造商所說明的，該效率是輸入電壓、輸出電壓和輸出負(fù)載電流的函數(shù)。許多情況下，負(fù)載電流的變化量超出兩個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)，效率的變化不超出幾個(gè)百分點(diǎn)。因?yàn)檩敵鲭妷汗潭ú蛔?，也可以說，在超過兩個(gè)數(shù)量級(jí)的“輸出功率范圍”內(nèi)，效率僅變化幾個(gè)百分點(diǎn)。

當(dāng)輸入電壓最接近輸出電壓時(shí)，DC-DC轉(zhuǎn)換器具有最高的效率。如果輸入的改變還沒有達(dá)到數(shù)據(jù)資料所規(guī)定的極端情況，那么，轉(zhuǎn)換器的效率常?？梢越茷?5%至95%之間的一個(gè)常數(shù)：

本文的討論中，將DC-DC轉(zhuǎn)換器看作為一個(gè)雙端口黑匣子。如對(duì)DC-DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)感興趣，可查閱參考文獻(xiàn)1–3。負(fù)載包括需要驅(qū)動(dòng)的設(shè)備和所有與其相連的耗能元件，例如PC板線條電阻、接觸電阻、電纜電阻等等。因?yàn)镈C-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電阻已包含在制造商提供的數(shù)據(jù)資料中，故在此不再贅述。負(fù)載效率EFFLOAD = (送入負(fù)載的功率)/(DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出功率) x 100%：

優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于分析并理解DC-DC轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器，然后，計(jì)算電源效率，接下來，基于對(duì)典型的DC-DC轉(zhuǎn)換器(在此以MAX1626降壓調(diào)節(jié)器為例)的測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)我們的假設(shè)進(jìn)行驗(yàn)證。

一個(gè)理想的DC-DC轉(zhuǎn)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(fù)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(shè)轉(zhuǎn)換器的效率恒定不變，這樣輸入功率正比于輸出功率：

對(duì)于給定負(fù)載，該式說明輸入電流-電壓(I-V)間的關(guān)系是一條雙曲線，并在整個(gè)范圍內(nèi)表現(xiàn)出負(fù)的微分電阻特性(圖2)。該圖還給出了DC-DC轉(zhuǎn)換器的I-V曲線隨著輸入功率的增加而發(fā)生的變化。對(duì)于具有動(dòng)態(tài)負(fù)載的實(shí)際系統(tǒng)，這些曲線也是動(dòng)態(tài)變化的。也就是說，當(dāng)負(fù)載要求更多電流時(shí)，功率曲線會(huì)發(fā)生移動(dòng)并遠(yuǎn)離初始位置。從輸入端口，而非輸出端口，考察一個(gè)調(diào)節(jié)器，是一個(gè)新穎的視點(diǎn)。畢竟，設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)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(shù)主要是用來描述輸出特性(輸出電壓范圍、輸出電流范圍、輸出紋波、瞬態(tài)響應(yīng)等等)。而在輸入端口，會(huì)表現(xiàn)出一些奇特的特性：在其工作范圍內(nèi)，它象一個(gè)恒功率負(fù)載(參考文獻(xiàn)4) 。恒功率負(fù)載在電池測(cè)量?jī)x或其它一些設(shè)計(jì)中非常有用。

圖2. 這些雙曲線代表DC-DC轉(zhuǎn)換器的恒功率輸入特性

現(xiàn)在，我們有了足夠的信息來計(jì)算電源自身的耗散功率及其效率。因?yàn)殡娫措妷旱拈_路值(VPS)已經(jīng)給出，我們僅需找出DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸入電壓(VIN)。從等式[5]解出IIN：

IIN還可以根據(jù)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]是非常直觀的(圖3)。電阻負(fù)載線代表等式[7]的所有可能解，而DC-DC I-V曲線則是等式[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(zhuǎn)換器輸入端的穩(wěn)定電壓和電流。因?yàn)镈C-DC曲線代表恒定的輸入功率，(VIN+)(IIN+) = (VIN-) (IIN-)。(下標(biāo)“+”和“-”表示式[8]給出的兩個(gè)解，并對(duì)應(yīng)于分子中的±符號(hào)。)

圖3. 該圖在DC-DC轉(zhuǎn)換器的I-V曲線上附加了一條和電源內(nèi)阻有關(guān)的負(fù)載線

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(tǒng)效率會(huì)明顯地下降。不過可以通過降低RS來避免這個(gè)問題。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分析曲線中的有關(guān)參數(shù)也可以從中得到。舉例來說，如果串聯(lián)電阻(RS)等于零，電阻負(fù)載線的斜率將會(huì)變?yōu)闊o窮大。那么負(fù)載線就成為一條通過VPS的垂直線。在此情況下，VIN+ = VPS，效率為100%。隨著RS從0Ω增加，負(fù)載線繼續(xù)通過VPS，但越來越向左側(cè)傾斜。同時(shí)，VIN+和VIN-匯聚于VPS/2，這也是50%效率點(diǎn)。當(dāng)負(fù)載線相切于I-V曲線時(shí)，方程[8]只有一個(gè)解。對(duì)于更大的RS，方程沒有實(shí)數(shù)解，DC-DC轉(zhuǎn)換器將無法正常工作。

如何比較上述理想輸入曲線和一個(gè)實(shí)際的DC-DC轉(zhuǎn)換器的真實(shí)情況？為解答這個(gè)問題，我們對(duì)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的MAX1626評(píng)估組件(圖4)進(jìn)行測(cè)試，它被配置為3.3V輸出，輸出端接一個(gè)6.6Ω的負(fù)載電阻，測(cè)試其輸入I-V曲線(圖5)。立即可以發(fā)現(xiàn)一些明顯的非理想特性。例如，對(duì)于非常低的輸入電壓，輸入電流是零。內(nèi)置的欠壓鎖定(表示為VL)保證DC-DC轉(zhuǎn)換器對(duì)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(dá)圖3思想的標(biāo)準(zhǔn)DC-DC轉(zhuǎn)換電路