原標題：DC-DC轉換器：提高效率并避免雙穩態

　　高效 DC-DC 轉換器的設計絕非易事。

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

　　然而，DC-DC轉換器的設計絕非簡單。為了真正獲得最大性能，必須計算許多參數，并且每個用例和每個操作條件都是不同的。遺憾的是，無法概括方程，必須根據源極和負載電阻計算每個應用的效率值以找到最佳工作點。

　　內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。電子在導體和半導體中的摩擦將部分能量轉化為熱量，這些熱量被消散到環境中，因此無法盈利。

　　降低電源電路效率的原因之一是發電機的內阻，無法完全消除。另外 直流-直流轉換器 當輸入電壓和輸出電壓之差的絕對值較小時，通常更有效。下面的圖1顯示了由電壓發生器和負載組成的電路的通用示例。

　　圖 1：在理想電路中，效率為 100%。

　　第一個電路是理想的，發電機的內阻為0歐姆。理想的轉換器具有100%的效率，可在任何輸入和輸出電壓下工作。第二個電路是真實的，發生器的內阻為0.3Ω。

　　第一個電路的效率為100%，因為發電機的所有能量都由負載(10歐姆電阻器)使用。第二個電路的效率較低，為97%，因為3%的能量浪費在未使用的熱量中。讓我們檢查下面導致上述結果的簡單公式：

　　從公式中可以看出，效率是輸入電壓、輸出電壓和輸出負載上流動電流的函數。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，發電機的阻抗，電感器的電阻等。

　　由于這些原因，當所有個人原因加起來時，效率降低很容易超過10%。關于上述內容，觀察圖2中的圖表很有用，該圖顯示發電機的內阻是電路效率的最壞對手之一。

　　圖 2：該圖顯示了發電機的內阻如何對轉換器電路的效率產生負面影響。

　　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致整個系統效率的降低。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，因為電路運行平穩，轉換器的輸出符合設計規則。系統的效率受到嚴重影響，設計人員必須擁有出色的測量設備來檢測此類問題。

　　雙穩態電路的挑戰

　　自然解決方案之一將引導設計人員實現 電源系統 具有較低的內阻。但在實踐中，其他方法更受歡迎，因為降低電阻并不總是可行的，而且解決方案成本和電路復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，使用更高的電源電壓會更有效，但必須非常仔細地評估每種解決方案，因為結果因情況而異。有時，在負載非常高的情況下，轉換器的輸入可以變為雙穩態。雙穩態是一種不確定條件，在該條件下，轉換器可以在兩個穩定的輸入條件下工作，每個條件都有自己的效率。

　　轉換器的輸出正常，但整個系統的效率很低。通用電路中可能存在雙穩態如圖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轉換器在低于VL的所有輸入電壓下關閉。

　　圖 3：要確定是否存在雙穩態條件，必須仔細檢查交點。(出處：ADI)

　　在這些條件下，轉換器不消耗電流，這一事實可防止在電路啟動期間吸收大輸入電流。當電壓超過VL時，輸入電流上升到最大點。設計人員必須以永不成為雙穩態的方式設計轉換器電路。

　　這個問題在I/V圖中很容易觀察到，其中負載線與轉換器曲線相交。在極少數情況下，根據負載線的位置，也可能發生三穩態條件。通常，負載線不得接觸DC-DC轉換器曲線的尖端，最重要的是，不得位于其下方。

　　源電阻(RS)負載線的電阻上限稱為R(雙穩態)，可以使用以下公式計算：

　　RS應始終小于R(雙穩態)，否則轉換器的運行效率非常低，甚至可能停止工作。設計師最困難的任務之一是精確地知道這些比率。如前所述，轉換器的最大總效率是當電源電壓非常接近輸出電壓時。通過將這兩個值更緊密地結合在一起，可以實現效率最大化，但有時沒有必要采取此類預防措施，這可能會增加成本。通過在負載曲線上努力工作，即使在降低成本的同時，也可以實現高效率。

　　電感器質量 (直流電阻)

　　這 DC-DC 轉換器的效率 由每個組件決定，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則。重要的是，通過使用任何DC-DC轉換器并嘗試不同的電感器類型來測試各種效率，同時保持元件的電感值。

　　對于這種類型的應用，最關鍵的電感參數是相對寄生電阻。寄生電阻值越低，DC-DC轉換器的效率越高。

　　最重要的參數之一是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。由于導線長度較長，電感器較大的 DCR 值越高。同樣，設計人員必須明智地實現相當低的電感，以盡可能限制DCR的影響。圖4顯示了一個簡單的5 V至3.3 VDC-DC轉換器，采用非理想電抗元件工作。

　　圖 4：一個簡單的降壓型 DC-DC 轉換器與不同 DCR 的電感器一起使用。

　　因此，結果非常接近真實情況。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，以了解電路的響應效率。

　　市場上有許多電感器可供具有不同DCR速率的設計人員使用相同的電感。DCR 成本較低的型號成本更高。更高的電感對應于更高的電阻(DCR)，反之亦然。此參數可用于確定由于電線加熱引起的損耗。因此，設計人員應選擇盡可能低的DCR。只有通過改進此參數，轉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別是僅改變L1電感的DCR值，使用16個47 uH電感器示例，固有電阻在30毫歐至480毫歐之間。結果不言自明：低DCR值導致更高的效率值和更少的轉換器熱量。

　　設計師的任務不僅是設計轉換器，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格出售的設備，因為它們幾乎肯定不完全符合所有效率和安全法規。高效率意味著以熱量形式不必要地耗散的能量更少，轉換器的熱管理也變得問題更少，更簡單。

　　本文最初發表于 電子電氣時報.

　　Giovanni Di Maria一直喜歡電子，數學和DIY。他是一名計算機程序員，也是一名計算機科學和數學老師。他喜歡數字，他總是在尋找大的質數。他還寫了一本關于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的公司。他是一名全職培訓師和老師。