源电阻：DC-DC转换器电路中的效率杀手

DC-DC转换器常见于电池驱动、便携式和其他高效系统中，可提供超过95%的效率，同时提升、降低或反相电源电压。电源中的电阻是限制效率的最重要因素之一。本应用笔记介绍了源电阻的影响、如何计算效率、实际考虑因素、设计考虑因素，并展示了一个实际示例。

DC-DC 转换器通常用于电池供电设备和其他节能应用。与线性稳压器一样，DC-DC转换器可以调节到较低的电压。然而，与线性稳压器不同的是，DC-DC转换器可以升压或反相输入电压以产生负电压。另外，DC-DC转换器在最佳条件下的效率高于95%。然而，这种效率受到耗散元件的限制。主要原因是电源中的电阻。

源电阻引起的损耗会使效率降低10%或更多，不包括DC-DC转换器的损耗！如果转换器具有足够的输入电压，则其输出将正常，并且可能没有明显的迹象表明功耗正在浪费。

幸运的是，测试输入效率是一件简单的事情（请参阅源部分）。

较大的源电阻会导致其他不太明显的影响。在极端情况下，转换器的输入可能变为双稳态，或者在最大负载条件下其输出可能降低。双稳态意味着转换器表现出两种稳定的输入条件，每种条件都有自己的效率。转换器输出正常，但系统效率可能会受到严重影响（请参见如何避免双稳态）。

是否应该通过最小化源电阻来解决这个问题？否，因为系统带来的实际限制和成本/收益权衡可能会提出其他解决方案。例如，谨慎选择电源输入电压可以大大减少对低源电阻的需求。DC-DC 转换器的较高输入电压限制了输入电流要求，从而减少了对低源电阻的需求。从系统角度来看，5V至2.5V的转换可能比3.3V至2.5V的转换效率高得多。必须评估每个选项。本文的目的是提供分析和直观的工具来简化评估任务。

系统视图

如图1所示，任何稳压配电系统都可以分为三个基本部分：电源、稳压器（在本例中为DC-DC转换器）和负载。电源可以是稳压或非稳压的电池或直流电源。不幸的是，源极还包括直流电压和负载之间的所有耗散元件：电压源输出阻抗;接线电阻;以及触点、PC 板接地、串联滤波器、串联开关、热插拔电路等的电阻。这些元件会严重降低系统效率。

图1.受监管的配电系统有三个基本 部分。

源效率的计算和测量非常简单。伊芙源等于（输送到稳压器的功率）/（V 提供的功率）附言） 乘以 100%：

假设稳压器在空载时消耗的电流可以忽略不计，则可以将源极效率测量为V之比在稳压器满载至 V在在调节器卸载的情况下。

稳压器（DC-DC转换器）由控制器IC和相关分立元件组成。其特性在制造商的数据表中进行了描述。DC-DC 转换器 （EFF ） 的效率直流直流） 等于（转换器提供的功率）/（传递到转换器的功率）乘以 100%：

根据制造商的规定，该效率是输入电压、输出电压和输出负载电流的函数。在超过两个数量级的负载电流范围内，效率变化不超过百分之几并不罕见。由于输出电压是固定的，因此我们可以说，在超过两个数量级的“输出功率范围”中，效率仅变化了百分之几。

当输入电压最接近输出电压时，DC-DC转换器效率最高。但是，如果输入变化相对于数据手册规格而言不是极端的，则转换器的效率通常可以近似为75%至95%之间的常数：

本讨论将DC-DC转换器视为双端口黑匣子。对于那些对DC-DC转换器设计的细微差别感兴趣的人，请参阅参考文献1-3。负载包括要驱动的器件以及与其串联的所有耗散元件，例如PC走线电阻，接触电阻，电缆电阻等。由于 DC-DC 转换器的输出电阻包含在制造商的数据手册中，因此明确排除了该数量。负载效率（EFF负荷） 等于（输送到负载的功率）/（DC-DC 转换器提供的功率）乘以 100%：

优化系统设计的关键在于分析和理解DC-DC转换器与其电源之间的相互作用。为此，我们首先定义一个理想的转换器，然后计算源极效率，然后根据具有代表性的DC-DC转换器μ在本例中为MAX1626降压稳压器的实测数据来测试我们的假设。

理想的直流-直流转换器

理想的DC-DC转换器应具有100%的效率，可在任意输入和输出电压范围内工作，并向负载提供任意电流。它也将是任意小的，可以免费获得！然而，对于此分析，我们仅假设转换器的效率是恒定的，因此输入功率与输出功率成正比：

对于给定负载，这种情况意味着输入电流-电压 （I-V） 曲线是双曲线的，并且在其整个范围内表现出负差分电阻特性（图 2）。该图显示了 DC-DC 转换器的 I-V 曲线作为输入功率增加的函数。对于具有动态载荷的实际系统，这些曲线也是动态的。也就是说，当负载需要更多电流时，功率曲线会远离原点。考虑从输入端口而不是输出端口使用稳压器是一种不寻常的观点。毕竟，稳压器旨在提供恒定电压（有时是恒定电流）输出。其规格主要描述输出特性（输出电压范围、输出电流范围、输出纹波、瞬态响应等）。然而，输入显示出一个奇怪的特性：在其工作范围内，它充当恒定功率负载（参考文献4）。除其他任务外，恒定功率负载在电池测试仪的设计中很有用。

图2.这些双曲线表示DC-DC转换器的恒定功率输入特性。

计算源效率

我们现在有足够的信息来计算电源的功耗，从而计算其效率。由于给出了源电压（VPS）的开路值，因此我们只需要找到DC-DC转换器的输入电压（VIN）。根据等式 [5]，求解 IIN：

IIN也可以用VPS，VIN和RS来解决：

将方程 [6] 和 [7] 中的表达式相等并求解 Vin:

要理解它们的含义，以图形方式可视化方程 [6] 和 [7] 是非常有启发性的（图 3）。电阻负载线是方程 [7] 的所有可能解的图，DC-DC I-V 曲线是方程 [6] 的所有可能解的图。这些曲线的交点表示联立方程对的解，定义了 DC-DC 转换器输入端的稳定电压和电流。由于 DC-DC 曲线表示恒定输入功率，因此 （VIN+）（IIN+） = （VIN-） （IIN-）。（+ 和 - 后缀是指方程 [8] 预测的两个解，对应于分子中的±符号。

图3.该图在 DC-DC 转换器的 I-V 曲线上叠加了源电阻的负载线。

最佳工作点为 VIN+/IIN+，通过从电源吸收最小电流来最大限度地降低 IIN2RS 损耗。另一个工作点会导致VPS和VIN之间的任何耗散元件出现较大的功耗。系统效率急剧下降。但是您可以通过保持足够低的 RS 来避免此类问题。源效率 [（VIN/VPS） x 100%] 只需等式 [8] 除以 VPS：

很容易迷失在方程中，这就是图3的负载线分析图的值。例如，请注意，如果串联电阻（RS）等于零，则电阻负载线斜率变为无穷大。然后，负载线将是一条通过 VPS 的垂直线。此时 VIN+ = VPS，效率将是 100%。当RS从0Ω增加时，负载线继续通过VPS，但越来越向左倾斜。同时，VIN+ 和 VIN- 汇聚在 VPS/2 上，这也是 50% 的效率点。当负载线与 I-V 曲线相切时，方程 [8] 只有一个解。对于较大的RS，方程没有实际解，DC-DC转换器不再正常工作。

DC-DC 转换器：理论与实践

这些理想输入曲线与实际DC-DC转换器的曲线相比如何？为了解决这个问题，为标准MAX1626评估板（图4）配置了3.3V输出电压和6.6Ω负载电阻。然后，我们测量了输入的I-V曲线（图5）。几个不理想的特征立即显现出来。请注意，例如，对于非常低的输入电压，输入电流为零。内置欠压锁定（表示为 VL） 确保 DC-DC 转换器在低于 V 的所有输入电压下均处于关闭状态L.否则，在启动期间可能会从电源吸收较大的输入电流。

图4.标准DC-DC转换器电路说明了图3的思路。

图5.以上 V最低，MAX1626输入I-V特性与效率为90%的理想器件非常匹配。

当VIN超过VL时，输入电流攀升至VOUT首次达到预设输出电压（3.3V）时的最大值。相应的输入电压 （VMIN） 是 DC-DC 转换器产生预设输出电压所需的最小值。对于VIN>VMIN，90%效率的恒定功率曲线与MAX1626输入曲线非常接近。与理想值不同的变化主要是由于DC-DC转换器效率与其输入电压的函数关系而发生的微小变化。

如何避免双稳态

电源设计人员还必须保证DC-DC转换器永远不会变为双稳态。在负载线与 DC-DC 转换器曲线相交且低于 V 或低于 V 的系统中，双稳态是可能的最低/我.MAX（图6）。

图6.仔细观察交点表明双稳态甚至三稳态操作的可能性。

根据负载线的坡度和位置，系统可以是双稳态的，甚至是三稳态的。请注意，较低的 VPS 值可能允许负载线在 VL 和 VMIN 之间的单个点相交，从而产生稳定但无法正常工作的系统！因此，负载线通常不得接触DC-DC转换器曲线的尖点，也不得低于该曲线。

在图6中，负载线电阻（RS，其值为 -1/斜率）的上限称为 R双 稳态:

源电阻（RS） 应始终小于 R双 稳态.如果违反此规则，则存在运行效率极低或 DC-DC 转换器完全关闭的风险。

一个实际案例

对于实际系统，绘制公式[9]所示的源效率和源电阻之间的关系可能会有所帮助（图7）。假设满足以下条件：

图7.此源效率与源电阻的关系图表示给定 R 的多个效率值

VPS= 10V 开路电源电压

VMIN  2V 最小输入电压，确保正常运行

PIN = DC-DC 转换器输入的功率为 50W （P外/伊芙直流直流).

使用公式[12]，RBISTABLE可以计算为0.320Ω。随后，方程 [9] 的图显示，源效率随着 RS 的增加而下降，在 RS = RBISTABLE 时损失 20%。注意：此结果不能一概而论。您必须为每个应用程序执行计算。RS 的一个组成部分是所有电源中的有限输出电阻，由负载调整率决定，通常定义为：

负载调整率 =

例如，负载调整率为5%的10V/1A电源的输出电阻仅为5.0mΩ，对于10A负载来说并不多。

常见应用的源效率

了解源电阻（RS） 可以容忍以及此参数如何影响系统效率。RS必须小于 R双 稳态，如前所述，但它应该低多少？要回答这个问题，请求解 R 的方程 [9]S就EFF而言源，用于 EFF源值为 95%、90% 和 85%。RS95 是 RS在给定输入和输出条件下产生 95% 源效率的值。考虑以下四个使用常见DC-DC转换器系统的示例应用。

例1从3V获得3.5V，负载电流为2A。对于 95% 的电源效率，请注意将 5V 电源和 DC-DC 转换器输入之间的电阻保持在 162m<>/<> 以下。请注意，RS90 = R双 稳态碰巧。R 的此值S90 还意味着效率很容易达到 10% 到 90%！请注意，系统效率（与源极效率相对）是源极效率、DC-DC 转换器效率和负载效率的乘积。

 

VPS	VOUT	IOUT	VMIN	EFFDCDC	POUT	RBISTABLE	RS95	RS90	RS85
5V	3.3V	2A	4.5V	90%	6.6W	0.307Ω	0.162Ω	0.307Ω	0.435Ω

 

示例2与示例1类似，但输出电流能力（20A与2A）。请注意，95%源极效率的串联电阻要求低10倍（16mΩ与162mΩ）。要实现这种低电阻，请使用 2 盎司铜 PC 走线。

 

VPS	VOUT	IOUT	VMIN	EFFDCDC	POUT	RBISTABLE	RS95	RS90	RS85
5V	3.3V	20A	4.5V	90%	66W	0.031Ω	0.016Ω	0.031Ω	0.043Ω

 

实施例3从1.6V（即5V-4%）的源电压获得5.5V/10A。R的系统要求为111mΩS可以满足95，但不容易。

 

VPS	VOUT	IOUT	VMIN	EFFDCDC	POUT	RBISTABLE	RS95	RS90	RS85
4.5V	1.6V	5A	2.5V	92%	8W	0.575Ω	0.111Ω	0.210Ω	0.297Ω

 

示例4与示例3相同，但电源电压更高（VPS= 15V 而不是 4.5V）。请注意有用的权衡：输入和输出电压差的大幅增加导致DC-DC转换器的效率下降，但整体系统效率得到改善。RS不再是问题，因为大 RS很容易达到95值（>1Ω）。例如，具有输入滤波器和长输入线路的系统可以保持95%或更高的源效率，而无需特别注意线路宽度和连接器电阻。

 

VPS	VOUT	IOUT	VMIN	EFFDCDC	POUT	RBISTABLE	RS95	RS90	RS85
15V	1.6V	5A	2.5V	86%	8W	3.359Ω	1.149Ω	2.177Ω	3.084Ω

 

结论

在查看DC-DC转换器规格时，很容易通过将电源电压设置为尽可能接近输出电压来最大化效率。但是，此策略可能会对布线、连接器和走线布局等元素施加不必要的限制，从而增加成本。系统效率甚至可能受到影响。本文中介绍的分析工具应该使这种电源系统权衡更加直观和明显。