如何減小電源內(nèi)阻

圖5. 在VMIN以上，MAX1626的輸入I-V特性非常接近于90%效率的理想器件

當(dāng)VIN超過VL時，輸入電流向最大值攀升，并在VOUT首次到達(dá)預(yù)定輸出電壓(3.3V)時達(dá)到最大。相應(yīng)的輸入電壓(VMIN)是DC-DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生預(yù)定輸出電壓所需的最低值。當(dāng)VIN > VMIN時，90%效率的恒功率曲線非常接近于MAX1626的輸入曲線。與理想曲線的偏離，主要是由于DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率隨輸入電壓的變化發(fā)生了微小改變。

電源設(shè)計者必須保證DC-DC轉(zhuǎn)換器永遠(yuǎn)不進(jìn)入雙穩(wěn)態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)的負(fù)載線與DC-DC轉(zhuǎn)換器曲線的交點位于或低于VMIN/IMAX (圖6)時就有可能形成雙穩(wěn)態(tài)。

圖6. 從該圖可以更為清楚地觀察到造成雙穩(wěn)態(tài)甚至三穩(wěn)態(tài)的相交點

取決于負(fù)載線的斜率和位置，一個系統(tǒng)可能會有兩個甚至三個穩(wěn)態(tài)。應(yīng)該注意的是，較低的VPS可能會使負(fù)載線只有一個位于VL和VMIN間的單一交點，導(dǎo)致系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)，但卻不能正常工作!因此，作為一個規(guī)則，負(fù)載線一定不能接觸到DC-DC轉(zhuǎn)換器曲線的頂端，而且不能移到它的下方。

在圖6中，負(fù)載線電阻(RS，數(shù)值等于-1/斜率) 有一個上限，稱為RBISTABLE：

電源內(nèi)阻(RS)應(yīng)該始終小于RBISTABLE。否則的話，就有嚴(yán)重降低工作效率或使DC-DC轉(zhuǎn)換器完全停止工作的危險。

對于一個實際系統(tǒng)，將[9]式所表示的電源效率及其內(nèi)阻之間的關(guān)系，用圖形表示出來會更有助于理解(圖7) 。假設(shè)有下列條件：

圖7. 該電源效率隨電源內(nèi)阻變化曲線說明，對于一個給定的RS值，可能會有多個效率值

VPS = 10V 開路電源電壓
VMIN = 2V 保證正常工作所需的最小輸入電壓
PIN = 50W 輸入DC-DC轉(zhuǎn)換器的功率(POUT/EFFDCDC)

利用[12]式，可計算出RBISTABLE為0.320Ω。方程[9]的圖形表明，電源效率隨著RS的增加而跌落，在RS = RBISTABLE時跌落達(dá)20%。注意：該結(jié)論并不具有普遍性，對于每個應(yīng)用，必須分別進(jìn)行計算。RS的來源之一，是所有電源無法避免的、有限的輸出電阻，它可通過負(fù)載調(diào)整來確定，后者通常定義為：

負(fù)載調(diào)整 =

所以，

一個具有1%負(fù)載調(diào)整的5V/10A電源，輸出電阻僅5.0mΩ—對于10A負(fù)載還不算大。

搞清楚多大的電源內(nèi)阻(RS)可以接受，以及該項參數(shù)對于系統(tǒng)效率有什么樣的影響，是很有必要的。前面已經(jīng)提到，RS必須低于RBISTABLE，但是，究竟應(yīng)該低多少？要回答這個問題，可以根據(jù)[9]式，解出RS和EFFSOURCE的關(guān)系，并分別求出EFFSOURCE為95%、90%和85%時的對應(yīng)值。RS95是在給定的輸入輸出條件下，95%電源效率所對應(yīng)的RS。考慮以下四個采用普通DC-DC轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用實例。

實例1：從5V輸入提供3.3V 輸出，負(fù)載電流2A 。對于95%的電源效率，需要特別注意的是，保持5V電源和DC-DC轉(zhuǎn)換器輸入端之間的電阻遠(yuǎn)低于162mΩ。注意到RS90 = RBISTABLE。這樣的RS90值同時說明，效率會同樣容易地從90%變?yōu)?0%！需要注意的是，系統(tǒng)效率(而非電源效率)是電源效率、DC-DC轉(zhuǎn)換器效率和負(fù)載效率三者的乘積。

實例1. 采用MAX797或MAX1653 DC-DC轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用(IOUT = 2A)

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

實例2：除輸出電流容量外(從2A變?yōu)?0A)，基本類同于實例1。注意到95%電源效率所要求的電源內(nèi)阻降低了10倍(從162mΩ到16mΩ)。要獲得如此低的內(nèi)阻，應(yīng)采用2oz.敷銅PCB引線。

實例2. 采用MAX797或MAX1653 DC-DC轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用(IOUT = 20A)

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

實例3：從4.5V的電源電壓(即5V-10%)，以5A電流提供1.6V輸出。系統(tǒng)要求111mΩ的RS95，可以達(dá)到，但不容易。

實例3. 有獨立+5V電源的MAX1710 DC-DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用(VPS = 4.5V)

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

實例4：與實例3相同，但具有更高的電源電壓(VPS = 15V，而非4.5V)。請注意一個很有用的折衷: 大幅度增加輸入、輸出之間的電壓差，會造成DC-DC轉(zhuǎn)換器效率單方面的降低，但系統(tǒng)的總體效率得到了改善。RS不再是問題，因為比較大的RS95值(>1Ω)很容易滿足。例如，一個帶有輸入濾波器和長輸入線的系統(tǒng)，不需要特別考慮線寬和接插件電阻，就能很容易保證95%的電源效率。

實例4. 有獨立+5V電源的MAX1710 DC-DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用(VPS = 15V)

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

在查閱DC-DC轉(zhuǎn)換器的特性參數(shù)時，常傾向于將電源電壓設(shè)定在盡量接近輸出電壓的值，以便獲得最高的轉(zhuǎn)換效率。然而，這種策略對于其他一些元件，例如導(dǎo)線、連接器和走線布局等，提出了一些不必要的限制條件，并導(dǎo)致了成本的增加。而系統(tǒng)效率還是受到損害。本文所提供的分析方法，使得這種對于電源系統(tǒng)的折衷考慮更加直觀和顯而易見。