經分析不難發(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,如電源內阻、濾波器阻抗、連接導線及接觸電阻等;另一方面與DC-DC轉換器的工作狀態(tài)和電源參數(shù)也有很大關系,合理地配置這些設計參數(shù)可以改善系統(tǒng)效率。電源內阻的耗能會使電源本身的效率降低,同時也影響到DC-DC轉換器的輸入電壓,因而也影響DC-DC轉換器的轉換效率。在極端情況下,DC-DC轉換器會進入非正常狀態(tài),嚴重時系統(tǒng)將完全停止工作,即使能正常工作也會嚴重損失系統(tǒng)效率。所以在設計中合理選擇電源電壓、減小電源內阻、正確選擇DC-DC轉換器的工作點可以有效地改善DC-DC電源的系統(tǒng)效率。DC-DC電源系統(tǒng)的優(yōu)化設計關鍵在于正確分析電子設備各部分之間(尤其是電源和DC-DC轉換器之間)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、電壓調節(jié)器(DC-DC轉換器)和負載,如圖1所示。實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、導線電阻及接觸電阻等,這些電阻是耗能元件,會嚴重影響電源效率。電源效率(Es)定義為電壓調節(jié)器吸取的功率與電源提供的總功率之比:

　　電壓調節(jié)器由控制IC和相關的外圍元件組成,控制IC的部分特性參數(shù)在制造商提供的數(shù)據手冊中可以查到。電壓調節(jié)器的轉換效率(Ed)定義為DC-DC轉換器向負載部分提供的功率與其輸入功率之比:

　　根據制造商的描述,DC-DC的轉換效率Ed是輸入電壓V_i、輸出電壓V_o和負載電流I_o的函數(shù)。但在正常情況下,轉換效率E_d對負載電流I_o的變化不敏感,當負載電流I_o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,因此在非極端情況下DC-DC轉換器的轉換效率通?？梢越茷槌?shù)。但是在極端情況下轉換效率將會嚴重損失,這一點可以從DC-DC轉換器的輸入特性(如圖2中的①所示)看出。在這里暫且把DC-DC轉換器看成一個二端口的黑匣子。

　　負載部分和電源部分類似,也可等效為有效負載R_l和與其連接的耗能元件R_p。負載部分的效率(E_i)定義為有效負載實際吸取功率與轉換器提供的輸出功率之比:

　　整個系統(tǒng)的效率應為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)化設計的關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參數(shù)以使整個系統(tǒng)的效率最高。

2 影響系統(tǒng)效率的關鍵因素

　　設系統(tǒng)效率為E_a,那么Ea=E_sE_dE_l

　　由式[1]、[2]、[3]可得:

　　在實際系統(tǒng)中V_o和V_l由負載電路要求確定,電源部分應提供合適的穩(wěn)定的電壓給負載。由于DC-DC轉換器內部的特殊設計,E_d在正常狀態(tài)下僅在很小范圍內變化,只要工作點選擇合適,Ed近似為一個常數(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節(jié)器之間的相互作用。根據電路原理,它們之間有這樣的關系:

　　V_s=I_iR_s+V_i                                               (5)

　　顯然,為了減小電源內阻的損耗,當Vs選定后應使Ii盡可能小一些,而Vi則盡可能大,這一點也正好與DC-DC轉換器的輸入特性(如圖1中的①所示)相吻合。由DC-DC轉換器的輸入特性可知,在有效工作范圍內Vi大一些意味著調節(jié)器將吸取較小的電流,這樣電源內阻上的損耗將減小,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轉換器的工作點。

3 DC-DC轉換器工作點的選取

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

　　圖2中②是電源的阻性負載特性,由(5)式決定,①和②的交點即為DC-DC轉換器的工作點Q。為了使①和②有交點且落在DC-DC轉換器的有效工作區(qū)內,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,所以改變V_s、R_s即可移動工作點Q。結合上述分析應盡可能使工作點有較高的V_i。

　　另外由圖可知當Vs選定后,工作點就決定于電源內阻Rs。要使工作點永遠不會進入非有效工作區(qū),負載線斜率(-1/R_smax)應有一個極限,即電源內電阻R_s應有一個上限R_smax。由圖可知:

　　也就是說電源部分與DC-DC轉換器之間的總電阻Rs應保證始終小于R_smax。否則DC-DC轉換器的工作點就會進入非正常工作區(qū)而嚴重損失系統(tǒng)效率,甚至使DC-DC轉換器完全停止工作,這一點在實際設計中尤為重要。DC-DC電源對電源部分與DC-DC轉換器之間的電阻R_s要求是非常高的。例如將5V電源轉換成3.3V輸出,并提供2A的負載電流,如果選用DC-DC轉換器MAX797芯片(V_min=4.5V),并保證有90%的轉換效率,則R_s應不大于0.307Ω；若要求有95%的轉換效率,則Rs應不大于0.162Ω?？梢奃C-DC電源對電源部分與DC-DC轉換器之間的電阻Rs要求是非常高的。Rs也是影響系統(tǒng)效率的關鍵因素。

　　綜合上述分析,緊湊型電子設備中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)化設計的關鍵在于正確分析電源和電壓調節(jié)器之間的相互作用,合理地配置電源的參數(shù)和調節(jié)器的工作點,可以有效地改善整個系統(tǒng)的效率。