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日志

电源效率

已有 1277 次阅读2009-10-8 08:15 |

任何常规的功率分配系统都可划分为三个基本组成部分:电源、调节器(在此情况下为DC-DC转换器)和负载。电源可以是一组电池或一个稳压或未经稳压的直流电源。不幸的是,还有各种各样的耗能元件位于直流输出和负载之间,成为电源的组成部分:电压源输出阻抗、导线电阻以及接触电阻、PCB焊盘、串联滤波器、串联开关、热插拔电路等的电阻。这些因素会严重影响系统效率。
计算和测量电源效率非常简单。EFFSOURCE = (送入调节器的功率)/(VPS输出功率) x 100%:
假设调节器在无负载时的吸取电流可以忽略,电源效率就可以根据调节器在满负载时的VIN,与调节器空载时的VIN之比计算得出。
调节器(DC-DC转换器)由控制IC和相关的分立元件组成。其特性在制造商提供的数据资料中有详细描述。DC-DC转换器的效率EFFDCDC = (转换器输出功率)/(转换器输入功率) x 100%:
正如制造商所说明的,该效率是输入电压、输出电压和输出负载电流的函数。许多情况下,负载电流的变化量超出两个数量级时,效率的变化不超出几个百分点。因为输出电压固定不变,也可以说,在超过两个数量级的“输出功率范围”内,效率仅变化几个百分点。
当输入电压最接近输出电压时,DC-DC转换器具有最高的效率。如果输入的改变还没有达到数据资料所规定的极端情况,那么,转换器的效率常常可以近似为75%至95%之间的一个常数:
将DC-DC转换器看作为一个双端口黑匣子。负载包括需要驱动的设备和所有与其相连的耗能元件,例如PC板线条电阻、接触电阻、电缆电阻等等。负载效率EFFLOAD = (送入负载的功率)/(DC-DC转换器的输出功率) x 100%:
优化系统设计的关键在于分析并理解DC-DC转换器与其电源之间的相互作用。为此,首先定义一个理想的转换器,然后,计算电源效率,接下来,基于对典型的DC-DC转换器的测试数据,对我们的假设进行验证。
一个理想的DC-DC转换器具有100%的效率,工作于任意的输入和输出电压范围,并可向负载提供任意的电流。它也可以任意小,并可随意获得。在本分析中,只假设转换器的效率恒定不变,这样输入功率正比于输出功率:
对于给定负载,该式说明输入电流-电压(I-V)间的关系是一条双曲线,并在整个范围内表现出负的微分电阻特性。DC-DC转换器的I-V曲线随着输入功率的增加而发生的变化。对于具有动态负载的实际系统,这些曲线也是动态变化的。也就是说,当负载要求更多电流时,功率曲线会发生移动并远离初始位置。从输入端口,而非输出端口,考察一个调节器,是一个新颖的视点。毕竟,设计调节器的目的是为了提供一个恒定的电压(有时是恒定电流)输出。其参数主要是用来描述输出特性(输出电压范围、输出电流范围、输出纹波、瞬态响应等等)。而在输入端口,会表现出一些奇特的特性:在其工作范围内,它象一个恒功率负载。
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