摘 要:緊湊型電子設(shè)備中DC-DC電源系統(tǒng)效率是一個非常關(guān)鍵的問題。詳細(xì)分析了DC-DC電源系統(tǒng)各部分之間的相互作用以及影響DC-DC電源系統(tǒng)效率的主要因素，并指出：結(jié)合DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸入特性，合理配置電源參數(shù)與選取DC-DC工作點(diǎn)可以有效地改善DC-DC電源系統(tǒng)效率。
關(guān)鍵詞:DC-DC轉(zhuǎn)換器 系統(tǒng)效率 DC-DC工作點(diǎn) 電源內(nèi)阻

隨著電子設(shè)備的微型化，緊湊型電子設(shè)備的供電是一個非常重要的問題。目前DC-DC轉(zhuǎn)換器普遍地應(yīng)用于電池供電的設(shè)備和要求省電的緊湊型電子設(shè)備中。應(yīng)用DC-DC轉(zhuǎn)換器的目的一方面是要進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，給一些器件提供合適的工作電壓，但更重要的是在電壓轉(zhuǎn)換的同時保證有較高的系統(tǒng)效率和較小的體積。在正常情況下的DC-DC轉(zhuǎn)換器有高達(dá)95%以上的轉(zhuǎn)換效率。較高的系統(tǒng)效率不僅可以延長電池使用周期，也可以進(jìn)一步減小設(shè)備體積。
經(jīng)分析不難發(fā)現(xiàn)，DC-DC電源的系統(tǒng)效率一方面受限于電源系統(tǒng)本身的耗能元件，如電源內(nèi)阻、濾波器阻抗、連接導(dǎo)線及接觸電阻等；另一方面與DC-DC轉(zhuǎn)換器的工作狀態(tài)和電源參數(shù)也有很大關(guān)系，合理地配置這些設(shè)計(jì)參數(shù)可以改善系統(tǒng)效率。電源內(nèi)阻的耗能會使電源本身的效率降低，同時也影響到DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸入電壓，因而也影響DC-DC轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率。在極端情況下，DC-DC轉(zhuǎn)換器會進(jìn)入非正常狀態(tài)，嚴(yán)重時系統(tǒng)將完全停止工作，即使能正常工作也會嚴(yán)重?fù)p失系統(tǒng)效率。所以在設(shè)計(jì)中合理選擇電源電壓、減小電源內(nèi)阻、正確選擇DC-DC轉(zhuǎn)換器的工作點(diǎn)可以有效地改善DC-DC電源的系統(tǒng)效率。DC-DC電源系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于正確分析電子設(shè)備各部分之間(尤其是電源和DC-DC轉(zhuǎn)換器之間)的相互作用，找出影響電源系統(tǒng)效率的主要因素。

實(shí)際的電源部分可以是電池組或一個穩(wěn)壓或未穩(wěn)壓的直流電源，分析時可等效為理想的電壓源Vs和電源內(nèi)阻Rs兩部分。其中Rs包括電源輸出阻抗、串聯(lián)濾波器電阻、導(dǎo)線電阻及接觸電阻等，這些電阻是耗能元件，會嚴(yán)重影響電源效率。電源效率(Es)定義為電壓調(diào)節(jié)器吸取的功率與電源提供的總功率之比：
Es＝＝100%(1)
電壓調(diào)節(jié)器由控制IC和相關(guān)的外圍元件組成，控制IC的部分特性參數(shù)在制造商提供的數(shù)據(jù)手冊中可以查到。電壓調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)換效率Ed　定義為DC-DC轉(zhuǎn)換器向負(fù)載部分提供的功率與其輸入功率之比：
Ed＝＝100%(2)
根據(jù)制造商的描述，DC-DC的轉(zhuǎn)換效率Ed是輸入電壓Vi、輸出電壓Vo和負(fù)載電流Io的函數(shù)。但在正常情況下，轉(zhuǎn)換效率Ed對負(fù)載電流Io的變化不敏感，當(dāng)負(fù)載電流Io的變化量超出兩個數(shù)量級時，效率的變化不會超出幾個百分點(diǎn)，因此在非極端情況下DC-DC轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率通?？梢越茷槌?shù)。 是在極端情況下轉(zhuǎn)換效率將會嚴(yán)重?fù)p失，這一點(diǎn)可以從DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸入特性(如中的①所示)看出。在這里暫且把DC-DC轉(zhuǎn)換器看成一個二端口的黑匣子。
負(fù)載部分和電源部分類似，也可等效為有效負(fù)載Rl和與其連接的耗能元件Rp。負(fù)載部分的效率(Ei　定義為有效負(fù)載實(shí)際吸取功率與轉(zhuǎn)換器提供的輸出功率之比：
El＝＝100%(3)
整個系統(tǒng)的效率應(yīng)為Es、Ed、El三部分效率的乘積。由于這三部分是相互影響的，所以系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就在于正確分析三者之間的相互作用，合理配置它們之間的相關(guān)參數(shù)以使整個系統(tǒng)的效率。

2 影響系統(tǒng)效率的關(guān)鍵因素
設(shè)系統(tǒng)效率為Ea，那么Ea＝EsEdEl
由式1、2、3可得：
Ea＝100%(4)
在實(shí)際系統(tǒng)中Vo和Vl由負(fù)載電路要求確定，電源部分應(yīng)提供合適的穩(wěn)定的電壓給負(fù)載。由于DC-DC轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的特殊設(shè)計(jì)，Ed在正常狀態(tài)下僅在很小范圍內(nèi)變化，只要工作點(diǎn)選擇合適，Ed近似為一個常數(shù)。只有Vi、Vs是可選的，所以保證有較高的系統(tǒng)效率的關(guān)鍵在于Vi、Vs的取值。而Vi、Vs又取決于電源與電壓調(diào)節(jié)器之間的相互作用。根據(jù)電路原理，它們之間有這樣的關(guān)系：
Vs＝IiRs＋Vi5　
顯然，為了減小電源內(nèi)阻的損耗，當(dāng)Vs選定后應(yīng)使Ii盡可能小一些，而Vi則盡可能大，這一點(diǎn)也正好與DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸入特性(如中的①所示)相吻合。由DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸入特性可知，在有效工作范圍內(nèi)Vi大一些意味著調(diào)節(jié)器將吸取較小的電流，這樣電源內(nèi)阻上的損耗將減小，而輸出幾乎不變。這樣就提高了電源部分的效率。那么怎樣使調(diào)節(jié)器從電源吸取較小的電流而輸出幾乎不變呢？這就要合理地選取DC-DC轉(zhuǎn)換器的工作點(diǎn)。

中②是電源的阻性負(fù)載特性，由(5)式?jīng)Q定，①和②的交點(diǎn)即為DC-DC轉(zhuǎn)換器的工作點(diǎn)Ｑ。為了使①和②有交點(diǎn)且落在DC-DC轉(zhuǎn)換器的有效工作區(qū)內(nèi)，必須合理地選取Vs和Rs。其中Rs決定特性方程的斜率，Vs決定特性方程與橫軸的交點(diǎn)，所以改變Vs、Rs即可移動工作點(diǎn)Q。結(jié)合上述分析應(yīng)盡可能使工作點(diǎn)有較高的Vi。
另外由圖可知當(dāng)Vs選定后，工作點(diǎn)就決定于電源內(nèi)阻Rs。要使工作點(diǎn)永遠(yuǎn)不會進(jìn)入非有效工作區(qū)，負(fù)載線斜率(-1/Rsmax)應(yīng)有一個極限，即電源內(nèi)電阻Rs應(yīng)有一個上限Rsmax。由圖可知：
Rsmax=6　
其中： Iimax＝ 7　
由6、7式得：
Rsmax=8　
也就是說電源部分與DC-DC轉(zhuǎn)換器之間的總電阻Rs應(yīng)保證始終小于Rsmax。否則DC-DC轉(zhuǎn)換器的工作點(diǎn)就會進(jìn)入非正常工作區(qū)而嚴(yán)重?fù)p失系統(tǒng)效率，甚至使DC-DC轉(zhuǎn)換器完全停止工作，這一點(diǎn)在實(shí)際設(shè)計(jì)中尤為重要。DC-DC電源對電源部分與DC-DC轉(zhuǎn)換器之間的電阻Rs要求是非常高的。例如將5V電源轉(zhuǎn)換成3.3V輸出，并提供2A的負(fù)載電流，如果選用DC-DC轉(zhuǎn)換器MAX797芯片(Vmin=4.5V)，并保證有90%的轉(zhuǎn)換效率，則Rs應(yīng)不大于0.307Ω若要求有95%的轉(zhuǎn)換效率，則Rs應(yīng)不大于0.162Ω?？梢奃C-DC電源對電源部分與DC-DC轉(zhuǎn)換器之間的電阻Ｒｓ要求是非常高的。Rs也是影響系統(tǒng)效率的關(guān)鍵因素。
綜合上述分析，緊湊型電子設(shè)備中DC-DC電源系統(tǒng)效率是一個非常重要的問題。DC-DC電源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于正確分析電源和電壓調(diào)節(jié)器之間的相互作用，合理地配置電源的參數(shù)和調(diào)節(jié)器的工作點(diǎn)，可以有效地改善整個系統(tǒng)的效率。

參考文獻(xiàn)
1 MAXIM產(chǎn)品資料全集(光盤)，2000年版
2 Wettrothjohn． Controller ProVidEs Constant Power Load．EDNMarch 141997
3 Lenk Ron．Practical Design of Power Supplies． IEEE Press ＆ McGraw Hill 1998

4. MAX797 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/MAX797_1058112.html.
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