DC-DC电源系统的优化设计

图2中①是一般DC-DC转换器的输入特性曲线,可见它的输入有一定的动态范围,其输入特性曲线可明显地分成三个区间。当Vig≤Vi≤Vmin时,DC-DC转换器处于启动工作的过渡状态,此间DC-DC转换器从电源吸取的电流随Vi快速上升,直到输出达到设定值时输入电流达到最大值Iimax;在此段内DC-DC转换器或许能工作,但是系统效率将很低,包括电源效率和DC-DC转换器的转换效率都比较低。Vminis区间是DC-DC转换器的有效工作区,在此区间内DC-DC转换器有较高的而且比较稳定的转换效率,所以综合来看调节器的工作点应选择在此段内的高端。

　　图2中②是电源的阻性负载特性,由(5)式决定,①和②的交点即为DC-DC转换器的工作点Q。为了使①和②有交点且落在DC-DC转换器的有效工作区内,必须合理地选取Vs和Rs。其中Rs决定特性方程的斜率,Vs决定特性方程与横轴的交点,所以改变Vs、Rs即可移动工作点Q。结合上述分析应尽可能使工作点有较高的Vi。

　　另外由图可知当Vs选定后,工作点就决定于电源内阻Rs。要使工作点永远不会进入非有效工作区,负载线斜率(-1/Rsmax)应有一个极限,即电源内电阻Rs应有一个上限Rsmax。由图可知:

也就是说电源部分与DC-DC转换器之间的总电阻Rs应保证始终小于Rsmax。否则DC-DC转换器的工作点就会进入非正常工作区而严重损失系统效率,甚至使DC-DC转换器完全停止工作,这一点在实际设计中尤为重要。DC-DC电源对电源部分与DC-DC转换器之间的电阻Rs要求是非常高的。例如将5V电源转换成3.3V输出,并提供2A的负载电流,如果选用DC-DC转换器MAX797芯片(Vmin=4.5V),并保证有90%的转换效率,则Rs应不大于0.307Ω；若要求有95%的转换效率,则Rs应不大于0.162Ω。可见DC-DC电源对电源部分与DC-DC转换器之间的电阻Rs要求是非常高的。Rs也是影响系统效率的关键因素。

　　综合上述分析,紧凑型电子设备中DC-DC电源系统效率是一个非常重要的问题。DC-DC电源系统优化设计的关键在于正确分析电源和电压调节器之间的相互作用,合理地配置电源的参数和调节器的工作点,可以有效地改善整个系统的效率。