原標(biāo)題：DC-DC轉(zhuǎn)換器：提高效率并避免雙穩(wěn)態(tài)

　　高效 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)絕非易事。

　　DC-DC轉(zhuǎn)換器是可以增加或降低電源電壓的電路。當(dāng)使用電池為各種設(shè)備供電時(shí)，它們特別有用。因此，它們必須充分利用蓄能器提供的能量，事實(shí)上，它們的效率很容易超過96%。

　　然而，DC-DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)絕非簡單。為了真正獲得最大性能，必須計(jì)算許多參數(shù)，并且每個(gè)用例和每個(gè)操作條件都是不同的。遺憾的是，無法概括方程，必須根據(jù)源極和負(fù)載電阻計(jì)算每個(gè)應(yīng)用的效率值以找到最佳工作點(diǎn)。

　　內(nèi)部電池電阻限制了效率

　　電路中的所有電子元件都涉及一定的耗散率。電子在導(dǎo)體和半導(dǎo)體中的摩擦將部分能量轉(zhuǎn)化為熱量，這些熱量被消散到環(huán)境中，因此無法盈利。

　　降低電源電路效率的原因之一是發(fā)電機(jī)的內(nèi)阻，無法完全消除。另外 直流-直流轉(zhuǎn)換器 當(dāng)輸入電壓和輸出電壓之差的絕對值較小時(shí)，通常更有效。下面的圖1顯示了由電壓發(fā)生器和負(fù)載組成的電路的通用示例。

　　圖 1：在理想電路中，效率為 100%。

　　第一個(gè)電路是理想的，發(fā)電機(jī)的內(nèi)阻為0歐姆。理想的轉(zhuǎn)換器具有100%的效率，可在任何輸入和輸出電壓下工作。第二個(gè)電路是真實(shí)的，發(fā)生器的內(nèi)阻為0.3Ω。

　　第一個(gè)電路的效率為100%，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)的所有能量都由負(fù)載(10歐姆電阻器)使用。第二個(gè)電路的效率較低，為97%，因?yàn)?%的能量浪費(fèi)在未使用的熱量中。讓我們檢查下面導(dǎo)致上述結(jié)果的簡單公式：

　　從公式中可以看出，效率是輸入電壓、輸出電壓和輸出負(fù)載上流動電流的函數(shù)。耗散還包括其對所有其他電子元件的影響，例如PCB的電阻，電線和一般布線的電阻，發(fā)電機(jī)的阻抗，電感器的電阻等。

　　由于這些原因，當(dāng)所有個(gè)人原因加起來時(shí)，效率降低很容易超過10%。關(guān)于上述內(nèi)容，觀察圖2中的圖表很有用，該圖顯示發(fā)電機(jī)的內(nèi)阻是電路效率的最壞對手之一。

　　圖 2：該圖顯示了發(fā)電機(jī)的內(nèi)阻如何對轉(zhuǎn)換器電路的效率產(chǎn)生負(fù)面影響。

　　圖2顯示，無論采用何種配置，電源電阻的增加都會不可避免地導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)效率的降低。它還可能對電路造成其他不太明顯但同樣有問題的影響。

　　這種情況通常很難檢測，因?yàn)殡娐愤\(yùn)行平穩(wěn)，轉(zhuǎn)換器的輸出符合設(shè)計(jì)規(guī)則。系統(tǒng)的效率受到嚴(yán)重影響，設(shè)計(jì)人員必須擁有出色的測量設(shè)備來檢測此類問題。

　　雙穩(wěn)態(tài)電路的挑戰(zhàn)

　　自然解決方案之一將引導(dǎo)設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn) 電源系統(tǒng) 具有較低的內(nèi)阻。但在實(shí)踐中，其他方法更受歡迎，因?yàn)榻档碗娮璨⒉豢偸强尚械?，而且解決方案成本和電路復(fù)雜性肯定會超過獲得的好處。解決這些問題的眾多解決方案之一是選擇更高的輸入電壓來限制輸入電流需求，從而減少對低源電阻的需求。

　　有時(shí)，使用更高的電源電壓會更有效，但必須非常仔細(xì)地評估每種解決方案，因?yàn)榻Y(jié)果因情況而異。有時(shí)，在負(fù)載非常高的情況下，轉(zhuǎn)換器的輸入可以變?yōu)殡p穩(wěn)態(tài)。雙穩(wěn)態(tài)是一種不確定條件，在該條件下，轉(zhuǎn)換器可以在兩個(gè)穩(wěn)定的輸入條件下工作，每個(gè)條件都有自己的效率。

　　轉(zhuǎn)換器的輸出正常，但整個(gè)系統(tǒng)的效率很低。通用電路中可能存在雙穩(wěn)態(tài)如圖3所示。輸入電壓必須符合下限，低于該限值，電流幾乎為零。該子電壓(稱為VL)可確保DC-DC轉(zhuǎn)換器在低于VL的所有輸入電壓下關(guān)閉。

　　圖 3：要確定是否存在雙穩(wěn)態(tài)條件，必須仔細(xì)檢查交點(diǎn)。(出處：ADI)

　　在這些條件下，轉(zhuǎn)換器不消耗電流，這一事實(shí)可防止在電路啟動期間吸收大輸入電流。當(dāng)電壓超過VL時(shí)，輸入電流上升到最大點(diǎn)。設(shè)計(jì)人員必須以永不成為雙穩(wěn)態(tài)的方式設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換器電路。

　　這個(gè)問題在I/V圖中很容易觀察到，其中負(fù)載線與轉(zhuǎn)換器曲線相交。在極少數(shù)情況下，根據(jù)負(fù)載線的位置，也可能發(fā)生三穩(wěn)態(tài)條件。通常，負(fù)載線不得接觸DC-DC轉(zhuǎn)換器曲線的尖端，最重要的是，不得位于其下方。

　　源電阻(RS)負(fù)載線的電阻上限稱為R(雙穩(wěn)態(tài))，可以使用以下公式計(jì)算：

　　RS應(yīng)始終小于R(雙穩(wěn)態(tài))，否則轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行效率非常低，甚至可能停止工作。設(shè)計(jì)師最困難的任務(wù)之一是精確地知道這些比率。如前所述，轉(zhuǎn)換器的最大總效率是當(dāng)電源電壓非常接近輸出電壓時(shí)。通過將這兩個(gè)值更緊密地結(jié)合在一起，可以實(shí)現(xiàn)效率最大化，但有時(shí)沒有必要采取此類預(yù)防措施，這可能會增加成本。通過在負(fù)載曲線上努力工作，即使在降低成本的同時(shí)，也可以實(shí)現(xiàn)高效率。

　　電感器質(zhì)量 (直流電阻)

　　這 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的效率 由每個(gè)組件決定，即使是相對不重要的組件。即使是電路中的電感也無法逃脫這一規(guī)則。重要的是，通過使用任何DC-DC轉(zhuǎn)換器并嘗試不同的電感器類型來測試各種效率，同時(shí)保持元件的電感值。

　　對于這種類型的應(yīng)用，最關(guān)鍵的電感參數(shù)是相對寄生電阻。寄生電阻值越低，DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率越高。

　　最重要的參數(shù)之一是DCR(直流電阻)，它是電感器對頻率為0 Hz或接近0 Hz的信號呈現(xiàn)的電阻量。 電感器對低頻信號的電阻非常低，而對高頻信號的電阻則非常高。

　　電感的DCR非常低，通常在0.01歐姆和4歐姆之間。由于導(dǎo)線長度較長，電感器較大的 DCR 值越高。同樣，設(shè)計(jì)人員必須明智地實(shí)現(xiàn)相當(dāng)?shù)偷碾姼校员M可能限制DCR的影響。圖4顯示了一個(gè)簡單的5 V至3.3 VDC-DC轉(zhuǎn)換器，采用非理想電抗元件工作。

　　圖 4：一個(gè)簡單的降壓型 DC-DC 轉(zhuǎn)換器與不同 DCR 的電感器一起使用。

　　因此，結(jié)果非常接近真實(shí)情況。這就是為什么嘗試不同類型的電感器很重要的原因，這些電感器的值均為47 uH，但電阻值不同，以了解電路的響應(yīng)效率。

　　市場上有許多電感器可供具有不同DCR速率的設(shè)計(jì)人員使用相同的電感。DCR 成本較低的型號成本更高。更高的電感對應(yīng)于更高的電阻(DCR)，反之亦然。此參數(shù)可用于確定由于電線加熱引起的損耗。因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)選擇盡可能低的DCR。只有通過改進(jìn)此參數(shù)，轉(zhuǎn)換器的效率才會顯著提高，如下表所示。

　　上面的模擬涉及使用相同的電子元件。各種測試之間的唯一區(qū)別是僅改變L1電感的DCR值，使用16個(gè)47 uH電感器示例，固有電阻在30毫歐至480毫歐之間。結(jié)果不言自明：低DCR值導(dǎo)致更高的效率值和更少的轉(zhuǎn)換器熱量。

　　設(shè)計(jì)師的任務(wù)不僅是設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換器，還要選擇最好的 電子元器件 在市場上，例如電感器，即使它們更昂貴。因此，必須警惕以非常低的價(jià)格出售的設(shè)備，因?yàn)樗鼈儙缀蹩隙ú煌耆纤行屎桶踩ㄒ?guī)。高效率意味著以熱量形式不必要地耗散的能量更少，轉(zhuǎn)換器的熱管理也變得問題更少，更簡單。

　　本文最初發(fā)表于 電子電氣時(shí)報(bào).

　　Giovanni Di Maria一直喜歡電子，數(shù)學(xué)和DIY。他是一名計(jì)算機(jī)程序員，也是一名計(jì)算機(jī)科學(xué)和數(shù)學(xué)老師。他喜歡數(shù)字，他總是在尋找大的質(zhì)數(shù)。他還寫了一本關(guān)于PIC Microcontroller 16F84使用mikroBasic編程的書。他是Elektrosoft的所有者，Elektrosoft是一家處理電子和信息技術(shù)的公司。他是一名全職培訓(xùn)師和老師。