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1、电源内阻：扼杀 DC-DC 转换效率的元凶摘要：DC-DC转换器常用于采用电池供电的便携式及其它高效系统，在对电源电压进行升压、降压或反相时，其效率高于 95%。电源内阻是限制效率的一个重要因素。本文描述了电源内阻的对效率的影响、介绍 了如何计算效率、实际应用中需要注意的事项、设计注意事项、并给出了一个实际应用示例。DC-DC 转换器非常普遍地应用于电池供电设备或其它要求省电的应用中。类似于线性稳压器，DC-DC 转换器能够产生一个更低的稳定电压。然而，与线性稳压器不同的是，DC-DC 转换器还能够提升输入电压或将其反相至一个负电压。还有另外一个好处， DC-DC 转换器能够在优化条件下给出超
2、过 95%的转换效率。 但是，该效率受限于耗能元件，一个主要因素就是电源内阻。电源内阻引起的能耗会使效率降低10%或更多，这还不包括 DC-DC 转换器的损失！如果转换器具有足够的输入电压，输出将很正常，并且没有明显的迹象表明有功率被浪费掉。幸好，测量输入效率是很简单的事情 （参见电源部分 ）。较大的电源内阻还会产生其它一些不太明显的效果。极端情况下，转换器输入会进入双稳态，或者，输出 在最大负载下会跌落下来。双稳态意指转换器表现出两种稳定的输入状态，两种状态分别具有各自不同的 效率。转换器输出仍然正常，但系统效率可能会有天壤之别（参见如何避免双稳态 ）。只是简单地降低电源内阻就可以解决问题吗
3、？不然，因为受实际条件所限，以及对成本/收益的折衷考虑，系统可能要求另外的方案。例如，合理选择输入电源电压能够明显降低对于电源内阻的要求。对于DC-DC转换器来讲， 更高的输入电压限制了对输入电流的要求， 同时也降低了对电源内阻的要求。 从总体观点讲， 5V 至 2.5V 的转换，可能会比 3.3V 至 2.5V 的转换效率高得多。必须对各种选择进行评价。本文的目标就 是提供一种分析的和直观的方法，来简化这种评价任务。如图 1所示，任何常规的功率分配系统都可划分为三个基本组成部分：电源、调节器（在此情况下为 DC-DC 转换器 ）和负载。电源可以是一组电池或一个稳压或未经稳压的直流电源。不幸的
4、是，还有各种各样的耗 能元件位于直流输出和负载之间，成为电源的组成部分：电压源输出阻抗、导线电阻以及接触电阻、PCB焊盘、串联滤波器、串联开关、热插拔电路等的电阻。这些因素会严重影响系统效率。计算和测量电源效率非常简单。EFFSOURCE =（送入调节器的功率）/（VPS输出功率）x 100%:I IjN I- Vps IVPS假设调节器在无负载时的吸取电流可以忽略，电源效率就可以根据调节器在满负载时的VIN，与调节器空载时的VIN之比计算得岀。调节器（DC-DC转换器）由控制IC和相关的分立元件组成。其特性在制造商提供的数据资料中有详细描述。DC-DC转换器的效率 EFFDCDC =（转换器
5、输出功率）/（转换器输入功率）x 100% :Hrnr = 紆川咖正如制造商所说明的，该效率是输入电压、输岀电压和输岀负载电流的函数。许多情况下，负载电流的变 化量超岀两个数量级时，效率的变化不超岀几个百分点。因为输岀电压固定不变，也可以说，在超过两个 数量级的输岀功率范围内，效率仅变化几个百分点。定的极端情况，那么，转换器的效率常常可以近似为当输入电压最接近输岀电压时，DC-DC转换器具有最高的效率。如果输入的改变还没有达到数据资料所规 75%至95%之间的一个常数：EH5cdc本文的讨论中，将 DC-DC转换器看作为一个双端口黑匣子。如对DC-DC转换器的设计细节感兴趣，可查 阅参考文献1
6、 43。负载包括需要驱动的设备和所有与其相连的耗能元件，例如PC板线条电阻、接触电阻、电缆电阻等等。因为DC-DC转换器的输岀电阻已包含在制造商提供的数据资料中，故在此不再赘述。负载效率EFFLOAD =（送入负载的功率）/（DC-DC转换器的输出功率）x 100%:1 1 OADI： I 邓.| hnr r *i v VMIN时，90%效率的恒功率曲线非常接近于 MAX1626的输入曲线。与理想曲线的偏离，主要是由于DC-DC转换器的效率随输入 电压的变化发生了微小改变。电源设计者必须保证 DC-DC转换器永远不进入双稳态。当系统的负载线与DC-DC转换器曲线的交点位于或低于VMIN/IMA
7、X （图6）时就有可能形成双稳态。图6.从该图可以更为清楚地观察到造成双稳态甚至三稳态的相交点取决于负载线的斜率和位置，一个系统可能会有两个甚至三个稳态。应该注意的是，较低的VPS可能会使负载线只有一个位于 VL和VMIN间的单一交点，导致系统处于稳态，但却不能正常工作！因此，作为一个规则，负载线一定不能接触到DC-DC转换器曲线的顶端，而且不能移到它的下方。在图6中，负载线电阻（RS,数值等于-1/斜率）有一个上限，称为 RBISTABLE :RmlABLE = 血MAXMl图7.该电源效率随电源内阻变化曲线说明，对于一个给定的RS值，可能会有多个效率值训取max =斎盂二77而|H|Ihu
8、rvicnv.1：卜1口 丁竺1牛聊声I勺目二“可収卩uirr电源内阻（RS）应该始终小于RBISTABLE。否则的话，就有严重降低工作效率或使DC-DC转换器完全停止工作的危险。对于一个实际系统，将9式所表示的电源效率及其内阻之间的关系，用图形表示出来会更有助于理解 （图7）。假设有下列条件：SOURCE EFFICIENCY AS A FUNCTION OF Rs(Pm, ocdc SOW, Vps 10V, Vmin 2V)图7.该电源效率随电源内阻变化曲线说明，对于一个给定的RS值，可能会有多个效率值图7.该电源效率随电源内阻变化曲线说明，对于一个给定的RS值，可能会有多个效率值VPS = 10V开路电源电压图7.该电源效率随电源内阻变化曲线说明，对于一个给定的RS值，可能会有多个效率值VMIN = 2V保证正常工作所需的最小输入电压PIN = 50W 输入 DC-DC 转换器的功率(POUT/EFFDCDC)利用12式，可计算出RBISTABLE为0.320 Q。方程9的图形表明，电源效率随着 RS的增加而跌落，在RS = RBISTABLE时跌落达20%。注意：该结论并不具有普遍性，对于每个应用，必须分别进行计算。RS的来源之一
