电源内阻：扼杀DC-DC转换效率的元凶

时间：01-22 来源：EDN 点击：

功率的增加而发生的变化。对于具有动态负载的实际系统，这些曲线也是动态变化的。也就是说，当负载要求更多电流时，功率曲线会发生移动并远离初始位置。从输入端口，而非输出端口，考察一个调节器，是一个新颖的视点。毕竟，设计调节器的目的是为了提供一个恒定的电压(有时是恒定电流)输出。其参数主要是用来描述输出特性(输出电压范围、输出电流范围、输出纹波、瞬态响应等等)。而在输入端口，会表现出一些奇特的特性：在其工作范围内，它象一个恒功率负载(参考文献4) 。恒功率负载在电池测量仪或其它一些设计中非常有用。

图2. 这些双曲线代表DC-DC转换器的恒功率输入特性

现在，我们有了足够的信息来计算电源自身的耗散功率及其效率。因为电源电压的开路值(VPS)已经给出，我们仅需找出DC-DC转换器的输入电压(VIN)。从等式[5]解出IIN：

IIN还可以根据VPS、VIN和RS求出：

联合等式[6]和等式[7]可以解出VIN：

为便于理解其意义，采用图形表示等式[6]和等式[7]是非常直观的(图3)。电阻负载线代表等式[7]的所有可能解，而DC-DC I-V曲线则是等式[6]的所有可能解。它们的交点就代表联立方程的解，确定了在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，(VIN+)(IIN+) = (VIN-) (IIN-)。(下标"+"和"-"表示式[8]给出的两个解，并对应于分子中的±符号。)

图3. 该图在DC-DC转换器的I-V曲线上附加了一条和电源内阻有关的负载线

最佳工作点位于VIN+/IIN+，工作于该点时从电源吸取的电流最低，也就使IIN2RS损耗最小。而在其它工作点，VPS和VIN之间的所有耗能元件上会产生比较大的功率损耗。系统效率会明显地下降。不过可以通过降低RS来避免这个问题。电源效率[(VIN/VPS) x 100%] 只需简单地用VPS去除等式[8]得到：

　从该方程很容易得到能量损耗，并且图3分析曲线中的有关参数也可以从中得到。举例来说，如果串联电阻(RS)等于零，电阻负载线的斜率将会变为无穷大。那么负载线就成为一条通过VPS的垂直线。在此情况下，VIN+ = VPS，效率为100%。随着RS从0Ω增加，负载线继续通过VPS，但越来越向左侧倾斜。同时，VIN+和VIN-汇聚于VPS/2，这也是50%效率点。当负载线相切于I-V曲线时，方程[8]只有一个解。对于更大的RS，方程没有实数解，DC-DC转换器将无法正常工作。

如何比较上述理想输入曲线和一个实际的DC-DC转换器的真实情况？为解答这个问题，我们对一个标准的MAX1626评估组件(图4)进行测试，它被配置为3.3V输出，输出端接一个6.6Ω的负载电阻，测试其输入I-V曲线(图5)。立即可以发现一些明显的非理想特性。例如，对于非常低的输入电压，输入电流是零。内置的欠压锁定(表示为VL)保证DC-DC转换器对于所有低于VL的输入电压保持关断，否则，在启动阶段会从电源吸出很大的输入电流。

图4. 用以表达图3思想的标准DC-DC转换电路

图5. 在VMIN以上，MAX1626的输入I-V特性非常接近于90%效率的理想器件

当VIN超过VL时，输入电流向最大值攀升，并在VOUT首次到达预定输出电压(3.3V)时达到最大。相应的输入电压(VMIN)是DC-DC转换器产生预定输出电压所需的最低值。当VIN > 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/IMAX (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：

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