有效负载电阻——评估DC/DC转换器效率的新方案

摘 要：本文提供另外一种方法，作为电源的评估工具以测量效率。这个方法行之有效，且与输出电压和温度的相关性较小。
关键词：电源效率；有效损耗电阻；DC/DC转换器
引言
一直以来，人们总是基于转换过程的效率来对电源进行评估和比较。等式(1)和(2)是两个计算功率转换效率的最常用公式。用效率作为评估DC/DC转换器的标准能够给出非常简单且在大多数情况下非常有效的比较方法。散热设计师通过转换器的效率值及其详细参数可以计算出转换器的热负载，并得知是否需要散热器或冷却气流。
即便有固定的输入电压和开关频率，效率自身并不是比较那些工作于不同输出情况下的转换器的理想参量。本文将说明其原因，并且给出另一种几乎不依赖于输出电压就可以测量性能的方法，能够给出有关转换器性能的更精确的想法，所以，引入了有效损耗电阻(Rol)的概念。
效率计算
可以使用以下等式计算电源转换效率(z)：
(1)
还可以将该等式写成下式：
(2)
图1为本文评估中使用的同步降压转换器的简化框图。该方案适用于所有的DC/DC转换器。
图2为某给定转换器在不同输出电压下的效率。虽然在某一固定开关频率和输入电压下，功耗主要取决于负载电流，并且在2V~1V的范围内对输出电压的依赖很小，在所有的输出电压条件下具有几乎是恒定的功率损耗，但是效率h变化显著。所以即使功率损耗恒定，更小的输出电压将导致更小的效率值。

同步降压转换器的损耗
DC/DC转换器中的损耗可以分成以下两个主要方面：
A. 传导或者欧姆性损耗，它是由Iload2 x RDS(ON) x 埔鸬乃鸷模?RDS(ON)是MOSFET的导通电阻，Iload是负载电流，剖钦伎毡取Ｇ胱⒁猓蛭嬖谄椒焦叵担哉庵炙鸷闹饕览涤贗load2，并且对输出电压的依赖程度更小，因为剖怯氲缏吠夭瓜喙氐氖涑龅缪沟暮?B. 动态或者开关损耗 = Iload x Vin x1/2 x fsx (tr+tf)，此处Vin是输入电压，tr和 tf是上升和下降时间，fs是转换器的开关频率。同样还可以发现动态损耗并不依赖于输出电压。
这意味着损耗以另一种方式依赖于输出电压。这样就可以得出结论，即或多或少地存在与输出电压无关的固定损耗。这很重要，因为从以上效率等式 (2) 中可见，在输出电流相同的情况下，输出电压越小，其输出功率越低。这就导致在输出电压较小时的效率较低，如图2所示。可以看出在保持相同输出电流的同时，随着输出电压趋于零，存在一个限制条件，理论上这一点的效率h为零：

这就是说对于相同的负载电流，某给定转换器的效率与输出电压成正比。这使得在不同输出电压条件下的效率比较变得非常困难。图2描述了这种情况，可以看到在相同的负载电流条件下，输出电压为2V时的效率比输出电压为1V时的效率高约8%，尽管功耗几乎相同，热负荷也几乎相同。
可以看出：对于相同的电路和相同的输入／输出电压，不同的散热技术得到的效率是不同的。在这种情况下，对于相同的设计，采用散热器和冷却气流的功耗就比不采用散热器和冷却气流的小。
这就带来了在选择方面的两难局面，因为DC/DC转换器制造商都会提供对其产品最有利的效率数据结果，就拿具有相同效率数值，但来自不同供应商的两个转换器A和B来说，工程师不得不猜想，在30A下测试的带散热器 (一般是性能未知)的转换器A是否优于在400LFM冷却气流和25A下测试的不带散热器的转换器B。
这就导致了一个问题，即是否存在一种方法，能够在不考虑输出电压和散热技术的情况下对转换器进行评估。

新方法
可以清楚地看出，在有限的输出电压跨度内，即功率损耗可以认为不变的1V~2V跨度内，功耗可以更好地演示电源性能。如果拓宽电压跨度，即1V~5V，所有的二次影响将变得明显和突出，并且不会得到相同且一致的结果。如图3表示，对于不同的散热方案，损耗是负载电流的函数。
在图3中，直到60A，损耗的差异十分微小，在这点差异小于2W。当同时对一块线路板使用散热器和冷却气流时，可以使电流达到120A，因为使用冷却气流和散热器可以有效地散热。在图3中，当线路板温度达到105℃~110℃时，测试便停止。
值得注意的是，全面散热和静态空气散热两种情况的功耗差异是由温度差异造成的，因为在全面散热的情况下，器件是在低温下工作，而MOSFET的导通电阻可以表示为： RDS(ON)T=RDS(ON)a ×(1+a×芓)此处，RDS(ON)T 和RDS(ON)a 是在温度T和环境温度下MOSFET的导通电阻，芓是环境温度上升值。上式表示：温度越高，导通电阻越高，造成的损耗就越大。从图3中可以观察到这种损耗。

有效损耗电压
研究转换器性能的一种方法是引入有效损耗电压，即。这表示直流电压与转换器的输出电压串联，当通过Iload时要消耗功率。

有效损耗电阻
第二种方法是Rol的测量
。
对于某给定电流，有效损耗电阻Rol几乎相同并且与散热方式无关。显然，不同散热方式的Rol会略有不同，可以采用“Rol带”的概念来描述最大和最小Rol差异，后面将进行说明。
图4表示在所有４种散热情况下的有效损耗电阻Rol，并且清楚地表示出转换器的性能几乎与冷却方式和输出电压无关，因此得出结论：有效损耗电阻Rol是评估转换器性能的理想方案。
如前所述，1V和2V输出电压之间的损耗有些差异。这里也可以应用“Rol带”来充分描述电路的性能，可以表示为Rol=Ro±芌。该等式适用于半载到满载损耗。它描述了某给定转换器 (即工作于1V~2V之间的VRM) 的性能。可以导出一个Rol等式，Rol有助于使用电子数据表或者数学软件工具进行转换器的比较。
现在可以使用如图4中的一系列曲线或者上述Rol和Iload等式对不同的电源进行比较。
图5所示为不同散热条件下的Rol。可见Rol具有一个平均值，并且在每个电流值下具有一个幅带，表示数据范围的延展。在这种特殊的情况下，数据的延展主要是由温度对转换器的影响造成。
了解Rol和正负延展，便可快速评估出散热对整体性能的影响，并且能够就转换器是否需要散热做出正确的决定。

结语
A. 为了比较两个不同的转换器，必须采用某些条件作为效率测量的比较工具。这些条件是相同的输入和输出电压、开关频率、散热和负载电流范围。
B. 需要一种与上述条件无关的评估工具。同步降压转换器的Rol几乎与输入电压和散热方式无关。
C. 在DC/DC转换器的数据表中可以发布有效损耗电阻，允许设计师对任意的转换器进行非常简单且精确的比较。■

参考文献：
1. A. Elbanhawy, "Effect of Parasitic Inductance on switching performance" in Proc. PCIM Europe 2003, pp.251-255
2. A. Elbanhawy, "Effect of Parasitic inductance on switching performance of Synchronous Buck Converter" in Proc. Intel Technology Symposium 2003