DC-DC電源系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯DC-DC電源系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)應(yīng)用摘要:緊湊型電子設(shè)備中DC-DC電源系統(tǒng)效率是一個(gè)非常關(guān)鍵的問(wèn)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(gè)非常重要的問(wèn)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(xiàn)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(xiàn)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：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(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：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(duì)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(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?？梢越茷槌?shù)。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(lèi)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(gè)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(gè)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(gè)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＋Vi5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)。

3DC-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(xiàn)，可見(jiàn)它的輸入有一定的動(dòng)態(tài)范圍，其輸入特性曲線(xiàn)可明顯地分成三個(gè)區(qū)間。當(dāng)Vi＜Vg時(shí)，由DC-DC轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部設(shè)計(jì)決定，DC-DC轉(zhuǎn)換器內(nèi)部處于閉鎖狀態(tài)。當(dāng)Vg≤Vi≤Vmin時(shí)，DC-DC轉(zhuǎn)換器處于啟動(dòng)工作的過(guò)渡狀態(tài)，此間DC-DC轉(zhuǎn)換器從電源吸取的電流隨Vｉ快速上升，直到輸出達(dá)到設(shè)定值時(shí)輸入電流達(dá)到值Iimax；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。Vmin＜Vi＜Vs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(lái)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(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(huì)進(jìn)入非有效工作區(qū)，負(fù)載線(xiàn)斜率(-1/Rsmax)應(yīng)有一個(gè)極限，即電源內(nèi)電阻Rs應(yīng)有一個(gè)上限Rsmax。由圖可知：Rsmax=6其中：Iimax＝7由6、7式得：Rsmax=8也就是說(shuō)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(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?jiàn)DC-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(wèn)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。

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