DC-DC電源系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

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(gè)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(shí)保證有較高的系統(tǒng)效率和較小的體積。在正常情況下優(yōu)秀的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(zhǎng)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(huì)使電源本身的效率降低,同時(shí)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(huì)進(jìn)入非正常狀態(tài),嚴(yán)重時(shí)系統(tǒng)將完全停止工作,即使能正常工作也會(huì)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。

1 一般電子設(shè)備中的功率分配

　　一般含有DC-DC電源的電子系統(tǒng)可以劃分成三部分:電源、電壓調(diào)節(jié)器(DC-DC轉(zhuǎn)換器)和負(fù)載,如圖1所示。實(shí)際的電源部分可以是電池組或一個(gè)穩(wěn)壓或未穩(wěn)壓的直流電源,分析時(shí)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(huì)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:

　　

 

　　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(cè)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:

　　

　　根據(jù)制造商的描述,DC-DC的轉(zhuǎn)換效率Ed是輸入電壓V_i、輸出電壓V_o和負(fù)載電流I_o的函數(shù)。但在正常情況下,轉(zhuǎn)換效率E_d對(duì)負(fù)載電流I_o的變化不敏感,當(dāng)負(fù)載電流I_o的變化量超出兩個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí),效率的變化不會(huì)超出幾個(gè)百分點(diǎn),因此在非極端情況下DC-DC轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率通常可以近似為常數(shù)。但是在極端情況下轉(zhuǎn)換效率將會(huì)嚴(yán)重?fù)p失,這一點(diǎn)可以從DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸入特性(如圖2中的①所示)看出。在這里暫且把DC-DC轉(zhuǎn)換器看成一個(gè)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R_l和與其連接的耗能元件R_p。負(fù)載部分的效率(E_i)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:

　　

　　整個(gè)系統(tǒng)的效率應(yīng)為E_s、E_d、E_l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(gè)系統(tǒng)的效率最高。

2 影響系統(tǒng)效率的關(guān)鍵因素

　　設(shè)系統(tǒng)效率為E_a,那么Ea=E_sE_dE_l

　　由式[1]、[2]、[3]可得:

　　

　　在實(shí)際系統(tǒng)中V_o和V_l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),E_d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(gè)常數(shù)。只有V_i、V_s是可選的,所以保證有較高的系統(tǒng)效率的關(guān)鍵在于V_i、V_s的取值。而V_i、V_s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:

　　V_s=I_iR_s+V_i                                               (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(如圖1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)。

3 DC-DC轉(zhuǎn)換器工作點(diǎn)的選取

　　圖2中①是一般DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸入特性曲線,可見它的輸入有一定的動(dòng)態(tài)范圍,其輸入特性曲線可明顯地分成三個(gè)區(qū)間。當(dāng)Vig≤V_i≤V_min時(shí),DC-DC轉(zhuǎn)換器處于啟動(dòng)工作的過渡狀態(tài),此間DC-DC轉(zhuǎn)換器從電源吸取的電流隨V_i快速上升,直到輸出達(dá)到設(shè)定值時(shí)輸入電流達(dá)到最大值I_imax;在此段內(nèi)DC-DC轉(zhuǎn)換器或許能工作,但是系統(tǒng)效率將很低,包括電源效率和DC-DC轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率都比較低。V_minis區(qū)間是DC-DC轉(zhuǎn)換器的有效工作區(qū),在此區(qū)間內(nèi)DC-DC轉(zhuǎn)換器有較高的而且比較穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換效率,所以綜合來看調(diào)節(jié)器的工作點(diǎn)應(yīng)選擇在此段內(nèi)的高端。

　　圖2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V_s和R_s。其中Rs決定特性方程的斜率,V_s決定特性方程與橫軸的交點(diǎn),所以改變V_s、R_s即可移動(dòng)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V_i。

　　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(huì)進(jìn)入非有效工作區(qū),負(fù)載線斜率(-1/R_smax)應(yīng)有一個(gè)極限,即電源內(nèi)電阻R_s應(yīng)有一個(gè)上限R_smax。由圖可知:

　　

　　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R_smax。否則DC-DC轉(zhuǎn)換器的工作點(diǎn)就會(huì)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(duì)電源部分與DC-DC轉(zhuǎn)換器之間的電阻R_s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(V_min=4.5V),并保證有90%的轉(zhuǎn)換效率,則R_s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(duì)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(gè)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(gè)系統(tǒng)的效率。