電(diàn)路设计功耗问题

2020-08-04

对于電(diàn)子工程师来说，了解单个组件，電(diàn)气模块甚至整个電(diàn)子系统的功耗至关重要。重要的是，不仅要避免超出组件的最大限制，而且要在输入或输出端计算未知参数，因為(wèi)功耗与系统電(diàn)压和電(diàn)流有(yǒu)关。在本文(wén)中，我描述了我在電(diàn)子设计中分(fēn)析功耗的实践。

首先，我将介绍所有(yǒu)分(fēn)析方法所基于的功耗基础。与功率有(yǒu)关的第一条规则如下：系统的输入功率始终大于输出功率，并且永遠(yuǎn)不能(néng)相反，即组件中始终存在一些功率损耗（Ploss），这就是其功耗。则功耗為(wèi)Pin – Pout。

基本功耗流程如图1所示。如果我们向系统输入功率，则该功率的一部分(fēn)会在系统内部损耗以进行加热，从而降低了输出功率。因此，输出功率必须小(xiǎo)于输入功率。

图1.功耗的系统图

大部分(fēn)功率损耗最终都变成了组件内部的热量。通常认為(wèi)这是功耗。在有(yǒu)源组件的情况下，全部功率的一部分(fēn)可(kě)能(néng)会转换為(wèi)其他(tā)能(néng)量形式，这通常被认為(wèi)是功耗。例如，在LED中，功率由发光（功耗）和热量（功耗）组成。因此，功耗就是热量，功耗就是我们要从系统中释放出来的功率。在功耗分(fēn)析中，我们不分(fēn)析例如从電(diàn)到光的功率传输，而仅分(fēn)析系统或组件的功耗。

第二条规则是電(diàn)功率与電(diàn)压和電(diàn)流的关系。众所周知，它是電(diàn)压乘以系统的電(diàn)流消耗，即P = UI。電(diàn)压和電(diàn)流之间的关系是電(diàn)阻或阻抗，这是众所周知的欧姆定律U = RI或U = ZI。利用(yòng)这两个方程式及其组合，我们进行以下所有(yǒu)功耗计算。最好记住这些法律总是有(yǒu)效的。如果添加的電(diàn)压為(wèi)5V，通过5Ω的電(diàn)阻電(diàn)流為(wèi)1A，或者通过1Ω的電(diàn)压為(wèi)1V，但通过0.2Ω的電(diàn)阻消耗的電(diàn)流為(wèi)5A，则我们具有(yǒu)完全相同的電(diàn)能(néng)。在这两种情况下，无论我们使用(yòng)電(diàn)压，電(diàn)流还是電(diàn)流和電(diàn)阻进行计算，功耗均為(wèi)5W。在基于電(diàn)流的计算中，我们得到P =RI²，其中P =5Ω*1A²= 5W或P = 0。

功耗分(fēn)析中的第三个重要参数是效率ƞ。效率表示能(néng)量从输入到输出的传递程度。

ƞ= Pout /引脚

因為(wèi)输出功率总是小(xiǎo)于输入功率，所以效率总是小(xiǎo)于1。许多(duō)“功率”组件的数据手册都提供了效率，利用(yòng)这个数字，我们可(kě)以估算从输入到输出的功率传输量，从而计算出電(diàn)压和当前水平。要知道的第四个重要项目是系统中正在发生变化的项目；是電(diàn)压，電(diàn)流还是两者？通常，无源组件和LED是“系统”，其中電(diàn)压从输入到输出变化，但是電(diàn)流保持不变。在有(yǒu)源系统中，電(diàn)流或電(diàn)压或什至两者都可(kě)能(néng)改变。例如，与输出相比，开关转换器通常在输入中具有(yǒu)不同的電(diàn)压和電(diàn)流。

通常，功耗不是恒定的，而是随时间周期性地变化。在这些情况下，我们仍然使用(yòng)相同的原理(lǐ)来分(fēn)析功耗，但是我们必须了解要计算的内容。如果我们将功耗作為(wèi)平均功耗和峰值功耗的时间函数，我们将得到与图2相似的结果。平均功耗随时间变化是恒定的，但是随着功耗的变化，我们会在图中看到功率峰值。功耗是周期[1]，[2]的时间积分(fēn)，对于图2中的情况，功耗為(wèi)T = t3。

实际上，积分(fēn)计算面积，该面积受功率曲線(xiàn)限制。在图2中，改变功耗為(wèi)A2，恒定功耗為(wèi)A1。如果两个功耗是从同一设备测量的，则两种情况下的积分(fēn)计算将得出相同的结果，因此A2的面积等于A1的面积。

图2.平均和峰值功耗与时间的关系。

在分(fēn)析功耗时，我们需要了解在计算过程中如何考虑交流功耗。平均求和一个时期内的所有(yǒu)功耗，并在该时期内平均分(fēn)配功率。峰值功耗是特定时刻的最大功耗，即公式（1）[1]中的p（t）的最大值。平均功耗包括峰值功耗，但也包括功耗较小(xiǎo)或為(wèi)零的时刻。因此，当我们对加热组件的功率感兴趣时，平均功耗是有(yǒu)用(yòng)的。当我们使用(yòng)峰值功耗分(fēn)析電(diàn)流和電(diàn)压峰值时，它非常有(yǒu)用(yòng)。根据参考文(wén)献[3]，一些万用(yòng)表在AC模式下测量信号的均方根（RMS），并且该值与平均功耗有(yǒu)直接关系。参考文(wén)献[1]＆amp; [2]显示了平均功耗与RMS测量的交流信号之间的关系，该关系為(wèi)：

Pᴬⱽᴱ=Iᴿᴹˢ*Uᴿᴹˢ

如果我们计算平均功耗，则可(kě)以仅通过使用(yòng)万用(yòng)表AC设置测量交流電(diàn)和電(diàn)压来验证计算结果。当然，如果我们知道系统中存在直流条件，则需要以直流模式测量電(diàn)流和電(diàn)压。

分(fēn)析功耗：電(diàn)压变化–電(diàn)流常数

第一个示例很(hěn)简单，但适用(yòng)于所有(yǒu)電(diàn)子工程师：LDO稳压器。这些调节器的模型类似于图3。我们还可(kě)以快速确定输入電(diàn)流和输出電(diàn)流几乎相同，但是输入和输出之间的電(diàn)压不同。对于非常小(xiǎo)的電(diàn)流消耗系统，LDO的静态電(diàn)流变得很(hěn)重要，但是如果输出電(diàn)流比静态電(diàn)流大得多(duō)，我们可(kě)以忽略它。

图3. LDO電(diàn)路示例。

在此示例中，我们有(yǒu)5V输入電(diàn)压，3.6V稳压输出電(diàn)压和140mA输出DC電(diàn)流。该LDO的功耗计算如下：

Ploss = Pin – Pout

= Vin *输入-Vout * Iout

= 5V * 0.14A-3.6V * 0.14A

= 0.7W – 0.504W

= 0.196瓦

效率才是

ƞ= 0.504W / 0.7W = 0.72

从功耗的观点来看，在電(diàn)流恒定系统中，关键参数是输入和输出之间的電(diàn)压差。对于这些，您必须仔细分(fēn)析与電(diàn)流有(yǒu)关的压降，并注意其最终以热量的形式结束。您必须确保所选组件能(néng)够承受计算得出的功耗，并针对最大80％的数据手册进行设计。同样，我们可(kě)以分(fēn)析无源元件，LED，二极管，晶體(tǐ)管等的功耗。

分(fēn)析功耗：電(diàn)压和電(diàn)流变化

我们的第二个示例更為(wèi)复杂：开关稳压器。如图5所示的降压-升压转换器是一个電(diàn)压和電(diàn)流都变化的系统。在此示例中，输入電(diàn)压范围為(wèi)10V至20V，输入電(diàn)流也不明，因為(wèi)它也取决于输入電(diàn)压，设计输出電(diàn)压固定為(wèi)13.5V，所需的输出负载電(diàn)流為(wèi)80mA。

升降压开关转换器的示例。

我们首先通过估算转换器吸收的输入電(diàn)流来开始分(fēn)析功耗。為(wèi)此，我们利用(yòng)了基于欧姆定律的功率和效率计算。转换器输出功率為(wèi)

Pout = Vout * Iout

為(wèi)此，我们添加了效率方程，得到

Vout * Iout =ƞ*引脚

继续使用(yòng)前面介绍的实数（Vin 20V）进行计算，我们得到：

13.5V * 0.08A =ƞ* 20V * Iin

1.08W =ƞ* 20V * Iin

我们有(yǒu)两个未知参数，从开关转换器数据表中，我们需要检查所用(yòng)電(diàn)压和電(diàn)流范围的效率。在这种情况下，约為(wèi)ƞ= 0.85。现在我们可(kě)以计算开关调节器的输入電(diàn)流：

Iin = 1.08W /（0.85 * 20V）= 64mA

现在我们有(yǒu)了用(yòng)于计算开关转换器功耗的所有(yǒu)参数，并获得：

Ploss =引脚-Pout = 0.064A * 20V-0.08A * 13.5V = 1.28W-1.08W = 0.2W

以相同的方式，我们可(kě)以计算出升压模式下的功耗，再次可(kě)以看到我们的计算与实际测量值之间的相关性，如图7所示。现在，分(fēn)析的输入電(diàn)流為(wèi)

Iin = 13.5V * 0.08A / 0.85 * 10V = 0.129A

升压模式下的功耗為(wèi)：

Ploss =引脚-Pout = 0.129A * 10V-0.08A * 13.5V = 1.29W-1.08W = 0.21W

功耗与组件的发热有(yǒu)着密切的关系，重要的是要计算我们认為(wèi)至关重要的所有(yǒu)组件。这些组件可(kě)以是稳压器，晶體(tǐ)管，二极管，LED和无源器件。对于关键组件，我们必须检查至少极限条件，这通常在RMS電(diàn)流消耗最大时发生。我们需要将计算出的最大值与组件的最大值进行比较，并确保在产品正常运行期间无论如何都不会超过该最大值。

其次，我们需要分(fēn)析关键電(diàn)子模块的功耗，例如开关转换器，驱动器電(diàn)路和功率级。对于这些，我们可(kě)以将功耗计算作為(wèi)基础设计工作，如在开关转换器示例中看到的那样。此外，计算得出的功耗与数据手册中的值值得比较，但是電(diàn)子模块的单个组件选择应基于设计和仿真。

另外，我们需要分(fēn)析整个電(diàn)子系统的功耗。我们需要将所有(yǒu)计算得出的電(diàn)子模块功耗汇总在一起，并将其与電(diàn)源功能(néng)进行比较。这样，我们可(kě)以确保電(diàn)源可(kě)以在整个電(diàn)源電(diàn)压范围内為(wèi)设备提供所需的電(diàn)源。

最后但并非最不重要的一点是，我们需要记住，这种功耗中的大部分(fēn)会变成热量，并且需要分(fēn)析電(diàn)子设备是否需要额外的冷却，或者我们是否可(kě)以忍受。