原标题：DC-DC转换器：提高效率并避免双稳态

　　高效 DC-DC 转换器的设计绝非易事。

　　DC-DC转换器是可以增加或降低电源电压的电路。当使用电池为各种设备供电时，它们特别有用。因此，它们必须充分利用蓄能器提供的能量，事实上，它们的效率很容易超过96%。

　　然而，DC-DC转换器的设计绝非简单。为了真正获得最大性能，必须计算许多参数，并且每个用例和每个操作条件都是不同的。遗憾的是，无法概括方程，必须根据源极和负载电阻计算每个应用的效率值以找到最佳工作点。

　　内部电池电阻限制了效率

　　电路中的所有电子元件都涉及一定的耗散率。电子在导体和半导体中的摩擦将部分能量转化为热量，这些热量被消散到环境中，因此无法盈利。

　　降低电源电路效率的原因之一是发电机的内阻，无法完全消除。另外 直流-直流转换器 当输入电压和输出电压之差的绝对值较小时，通常更有效。下面的图1显示了由电压发生器和负载组成的电路的通用示例。

　　图 1：在理想电路中，效率为 100%。

　　第一个电路是理想的，发电机的内阻为0欧姆。理想的转换器具有100%的效率，可在任何输入和输出电压下工作。第二个电路是真实的，发生器的内阻为0.3Ω。

　　第一个电路的效率为100%，因为发电机的所有能量都由负载(10欧姆电阻器)使用。第二个电路的效率较低，为97%，因为3%的能量浪费在未使用的热量中。让我们检查下面导致上述结果的简单公式：

　　从公式中可以看出，效率是输入电压、输出电压和输出负载上流动电流的函数。耗散还包括其对所有其他电子元件的影响，例如PCB的电阻，电线和一般布线的电阻，发电机的阻抗，电感器的电阻等。

　　由于这些原因，当所有个人原因加起来时，效率降低很容易超过10%。关于上述内容，观察图2中的图表很有用，该图显示发电机的内阻是电路效率的最坏对手之一。

　　图 2：该图显示了发电机的内阻如何对转换器电路的效率产生负面影响。

　　图2显示，无论采用何种配置，电源电阻的增加都会不可避免地导致整个系统效率的降低。它还可能对电路造成其他不太明显但同样有问题的影响。

　　这种情况通常很难检测，因为电路运行平稳，转换器的输出符合设计规则。系统的效率受到严重影响，设计人员必须拥有出色的测量设备来检测此类问题。

　　双稳态电路的挑战

　　自然解决方案之一将引导设计人员实现 电源系统 具有较低的内阻。但在实践中，其他方法更受欢迎，因为降低电阻并不总是可行的，而且解决方案成本和电路复杂性肯定会超过获得的好处。解决这些问题的众多解决方案之一是选择更高的输入电压来限制输入电流需求，从而减少对低源电阻的需求。

　　有时，使用更高的电源电压会更有效，但必须非常仔细地评估每种解决方案，因为结果因情况而异。有时，在负载非常高的情况下，转换器的输入可以变为双稳态。双稳态是一种不确定条件，在该条件下，转换器可以在两个稳定的输入条件下工作，每个条件都有自己的效率。

　　转换器的输出正常，但整个系统的效率很低。通用电路中可能存在双稳态如图3所示。输入电压必须符合下限，低于该限值，电流几乎为零。该子电压(称为VL)可确保DC-DC转换器在低于VL的所有输入电压下关闭。

　　图 3：要确定是否存在双稳态条件，必须仔细检查交点。(出处：ADI)

　　在这些条件下，转换器不消耗电流，这一事实可防止在电路启动期间吸收大输入电流。当电压超过VL时，输入电流上升到最大点。设计人员必须以永不成为双稳态的方式设计转换器电路。

　　这个问题在I/V图中很容易观察到，其中负载线与转换器曲线相交。在极少数情况下，根据负载线的位置，也可能发生三稳态条件。通常，负载线不得接触DC-DC转换器曲线的尖端，最重要的是，不得位于其下方。

　　源电阻(RS)负载线的电阻上限称为R(双稳态)，可以使用以下公式计算：

　　RS应始终小于R(双稳态)，否则转换器的运行效率非常低，甚至可能停止工作。设计师最困难的任务之一是精确地知道这些比率。如前所述，转换器的最大总效率是当电源电压非常接近输出电压时。通过将这两个值更紧密地结合在一起，可以实现效率最大化，但有时没有必要采取此类预防措施，这可能会增加成本。通过在负载曲线上努力工作，即使在降低成本的同时，也可以实现高效率。

　　电感器质量 (直流电阻)

　　这 DC-DC 转换器的效率 由每个组件决定，即使是相对不重要的组件。即使是电路中的电感也无法逃脱这一规则。重要的是，通过使用任何DC-DC转换器并尝试不同的电感器类型来测试各种效率，同时保持元件的电感值。

　　对于这种类型的应用，最关键的电感参数是相对寄生电阻。寄生电阻值越低，DC-DC转换器的效率越高。

　　最重要的参数之一是DCR(直流电阻)，它是电感器对频率为0 Hz或接近0 Hz的信号呈现的电阻量。 电感器对低频信号的电阻非常低，而对高频信号的电阻则非常高。

　　电感的DCR非常低，通常在0.01欧姆和4欧姆之间。由于导线长度较长，电感器较大的 DCR 值越高。同样，设计人员必须明智地实现相当低的电感，以尽可能限制DCR的影响。图4显示了一个简单的5 V至3.3 VDC-DC转换器，采用非理想电抗元件工作。

　　图 4：一个简单的降压型 DC-DC 转换器与不同 DCR 的电感器一起使用。

　　因此，结果非常接近真实情况。这就是为什么尝试不同类型的电感器很重要的原因，这些电感器的值均为47 uH，但电阻值不同，以了解电路的响应效率。

　　市场上有许多电感器可供具有不同DCR速率的设计人员使用相同的电感。DCR 成本较低的型号成本更高。更高的电感对应于更高的电阻(DCR)，反之亦然。此参数可用于确定由于电线加热引起的损耗。因此，设计人员应选择尽可能低的DCR。只有通过改进此参数，转换器的效率才会显着提高，如下表所示。

　　上面的模拟涉及使用相同的电子元件。各种测试之间的唯一区别是仅改变L1电感的DCR值，使用16个47 uH电感器示例，固有电阻在30毫欧至480毫欧之间。结果不言自明：低DCR值导致更高的效率值和更少的转换器热量。

　　设计师的任务不仅是设计转换器，还要选择最好的 电子元器件 在市场上，例如电感器，即使它们更昂贵。因此，必须警惕以非常低的价格出售的设备，因为它们几乎肯定不完全符合所有效率和安全法规。高效率意味着以热量形式不必要地耗散的能量更少，转换器的热管理也变得问题更少，更简单。

　　本文最初发表于 电子电气时报.

　　Giovanni Di Maria一直喜欢电子，数学和DIY。他是一名计算机程序员，也是一名计算机科学和数学老师。他喜欢数字，他总是在寻找大的质数。他还写了一本关于PIC Microcontroller 16F84使用mikroBasic编程的书。他是Elektrosoft的所有者，Elektrosoft是一家处理电子和信息技术的公司。他是一名全职培训师和老师。