Оптимизация эффективности DC-DC преобразователей и устранение проблем с бистабильностью

DC-DC преобразователи являются неотъемлемыми компонентами, регулирующими поставляемое напряжение вверх или вниз, и играют ключевую роль в устройствах, работающих от аккумуляторов, максимизируя использование энергии от батарей. Их эффективность обычно очень высока и часто превышает 96%.

Тем не менее, разработка этих преобразователей для достижения максимальной производительности представляет собой сложную задачу, требующую тщательных расчётов различных параметров для соответствия конкретным сценариям использования и рабочим условиям.

Проблемы, вызванные внутренним сопротивлением батареи

Значительным фактором, снижающим эффективность DC-DC преобразователей, является внутреннее сопротивление источника питания. Это врождённое и неизбежное сопротивление приводит к потере энергии в виде тепла из-за трения электронов, уменьшая количество энергии, доступное для эффективного использования.

Кроме того, эффективность DC-DC преобразователей зависит от разницы между входным и выходным напряжениями. Идеально, необходимо минимизировать эту разницу напряжений для повышения эффективности преобразования. Примером может служить базовая электрическая схема с источником напряжения и нагрузкой, демонстрирующая, как внутреннее сопротивление и разница в напряжениях влияют на общую производительность.

В области электрических цепей проводится различие между идеализированным и практическим вариантами. Первый охватывает генератор, характеризующийся нулевым внутренним сопротивлением, что создает примерную ситуацию, где преобразователь работает с безупречной эффективностью, достигая 100% эффективности при всех диапазонах входного и выходного напряжений. Напротив, второй представляет более реалистичную картину, с генератором, обладающим минимальным внутренним сопротивлением в 0,3 Ом, что незначительно снижает эффективность системы.

В случае идеальной схемы ее эффективность достигает пика совершенства и составляет ровно 100%. Этот результат обусловлен способностью генератора полностью распределять свою энергию на подключенную нагрузку, которая представлена резистором 10 Ом. С другой стороны, схема реального мира испытывает небольшое снижение эффективности, составляющее 97%. Это снижение связано с тем, что небольшая доля, точно 3%, энергии не способствует функционированию системы, а расходуется в виде тепла.

Эффективность цепи, согласно уравнениям, зависит от множества факторов, включая входное и выходное напряжения, а также ток, протекающий через нагрузку на выходе. Влияние диссипации ощущается не только на уровне внутреннего сопротивления источника питания, но и охватывает практически все компоненты в цепи. К ним относятся сопротивления на печатных платах (ПП), сопротивления электрических проводов и их соединений, импеданс, характерный для источника питания, а также сопротивления в катушках индуктивности и других элементах.

Учет всех этих элементов в совокупности может привести к потерям в эффективности, превышающим 10%, что подчеркивает накопительный эффект данных факторов. Особенно важную роль внутреннего сопротивления источника питания подчеркивает график 2, который наглядно демонстрирует, как внутреннее сопротивление источника питания становится одним из основных препятствий для достижения высокой эффективности в цепи.

Таблица демонстрирует, что независимо от выбранной конфигурации цепи, увеличение внутреннего сопротивления источника питания неизбежно приводит к снижению эффективности всей системы. Более того, это повышение сопротивления может вызвать более тонкие, но не менее значительные проблемы внутри цепи. Несмотря на кажущуюся нормальную работу цепи и соответствие выхода преобразователя проектным характеристикам, эффективность системы значительно страдает.

Решение дилеммы бистабильных цепей

Распространенный подход к уменьшению этих проблем – использование более высокого входного напряжения, что снижает потребление входного тока и уменьшает зависимость от низкого внутреннего сопротивления источника.

Феномен бистабильности в цепи дополнительно иллюстрируется на рисунке 3, показывая, что входное напряжение должно превышать определенный порог, чтобы избежать состояния с близким к нулю током. Это пороговое напряжение, обозначенное как VL, служит защитным механизмом, предотвращая активацию DC-DC преобразователя при всех входных напряжениях ниже этого критического уровня.

Тот факт, что преобразователь не потребляет ток в этих условиях, помогает предотвратить возникновение больших входных токов при запуске схемы. Как только напряжение превышает VL, входной ток увеличивается до максимальной точки. Важно, чтобы разработчики спроектировали схему преобразователя так, чтобы она никогда не входила в бистабильное состояние.

Эту проблему можно легко обнаружить на графиках тока от напряжения (I/V), где линия нагрузки пересекает кривую преобразователя. В редких случаях, в зависимости от расположения линии нагрузки, может возникнуть тристабильное состояние. Обычно линия нагрузки не должна касаться вершины кривой DC-DC преобразователя и, тем более, не должна находиться ниже неё.

Верхний предел сопротивления линии нагрузки в сочетании с сопротивлением источника (RS) определяется как R(bistable) и может быть вычислен с использованием следующей формулы:

Обеспечение того, чтобы сопротивление источника (RS) оставалось ниже порогового значения R(bistable), критично для эффективной работы преобразователя; превышение этого предела может привести к снижению эффективности или даже к выходу преобразователя из строя. Для разработчиков точное определение этих критических соотношений является одной из самых сложных задач.

Как уже упоминалось, максимальная эффективность преобразователя достигается при минимизации разницы между напряжением питания и выходным напряжением. Несмотря на то что уменьшение этого разрыва может увеличить эффективность, такие меры не всегда необходимы и могут привести к нежелательному увеличению затрат. Тщательный анализ кривых нагрузки позволяет разработчикам достигать высокой эффективности без необоснованных расходов.

Значение качества индуктора для эффективности преобразователя

Индуктор, фундаментальный компонент любой схемы, напрямую влияет на эффективность. Исследование с разными типами индукторов при одинаковом значении индуктивности критически важно для оценки их влияния на эффективность.

Ключевым аспектом работы индуктора является его паразитное сопротивление, известное как DCR (постоянное сопротивление), представляющее собой сопротивление, которое индуктор оказывает на постоянный ток или сигналы, близкие к постоянному. Обычно индукторы оказывают минимальное сопротивление низкочастотным сигналам, но их сопротивление увеличивается на высоких частотах.

DCR индуктора может варьироваться от 0,01 Ом до 4 Ом, причём у более крупных индукторов DCR выше из-за большей длины провода. Разработчики должны выбирать индуктор с оптимально низким DCR, чтобы минимизировать его влияние. На рисунке 4 представлен пример базового DC-DC преобразователя, который преобразует 5 В в 3,3 В, с использованием неидеальных реактивных компонентов, демонстрируя практические последствия выбора индуктора и его влияние на эффективность преобразователя.

На рынке представлены индукторы с разнообразными характеристиками, при этом разные модели могут предлагать различные уровни DCR при одном и том же значении индуктивности. Обычно, индукторы с более низким DCR стоят дороже, что обусловлено их повышенной эффективностью.

Существует прямая связь между индуктивностью и сопротивлением (DCR); более высокая индуктивность зачастую сопряжена с более высоким сопротивлением, и наоборот. Эта взаимосвязь крайне важна для оценки потерь, связанных с нагревом проводников.

Поэтому разработчикам рекомендуется выбирать индукторы с наименьшим возможным DCR для минимизации этих потерь. Снижение DCR является ключевой стратегией для значительного улучшения эффективности преобразователя, как демонстрируется в представленной таблице данных.

В описанном эксперименте использовались идентичные электронные компоненты, за исключением DCR (сопротивления постоянному току) индуктора L1. Было испытано 16 различных индукторов с индуктивностью 47 мкГн, при этом внутреннее сопротивление варьировалось от 30 до 480 миллиомов. Выводы эксперимента были однозначны: индукторы с меньшим значением DCR значительно повышали эффективность работы преобразователя и снижали тепловыделение.