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技術(shù)專題
電路設(shè)計(jì)功耗問題
對于電子工程師來說，了解單個(gè)組件，電氣模塊甚至整個(gè)電子系統(tǒng)的功耗至關(guān)重要。重要的是，不僅要避免超出組件的最大限制，而且要在輸入或輸出端計(jì)算未知參數(shù)，因?yàn)楣呐c系統(tǒng)電壓和電流有關(guān)。在本文中，我描述了我在電子設(shè)計(jì)中分析功耗的實(shí)踐。
首先，我將介紹所有分析方法所基于的功耗基礎(chǔ)。與功率有關(guān)的第一條規(guī)則如下：系統(tǒng)的輸入功率始終大于輸出功率，并且永遠(yuǎn)不能相反，即組件中始終存在一些功率損耗（Ploss），這就是其功耗。則功耗為Pin – Pout。
基本功耗流程如圖1所示。如果我們向系統(tǒng)輸入功率，則該功率的一部分會在系統(tǒng)內(nèi)部損耗以進(jìn)行加熱，從而降低了輸出功率。因此，輸出功率必須小于輸入功率。
圖1.功耗的系統(tǒng)圖
大部分功率損耗最終都變成了組件內(nèi)部的熱量。通常認(rèn)為這是功耗。在有源組件的情況下，全部功率的一部分可能會轉(zhuǎn)換為其他能量形式，這通常被認(rèn)為是功耗。例如，在LED中，功率由發(fā)光（功耗）和熱量（功耗）組成。因此，功耗就是熱量，功耗就是我們要從系統(tǒng)中釋放出來的功率。在功耗分析中，我們不分析例如從電到光的功率傳輸，而僅分析系統(tǒng)或組件的功耗。
第二條規(guī)則是電功率與電壓和電流的關(guān)系。眾所周知，它是電壓乘以系統(tǒng)的電流消耗，即P = UI。電壓和電流之間的關(guān)系是電阻或阻抗，這是眾所周知的歐姆定律U = RI或U = ZI。利用這兩個(gè)方程式及其組合，我們進(jìn)行以下所有功耗計(jì)算。最好記住這些法律總是有效的。如果添加的電壓為5V，通過5Ω的電阻電流為1A，或者通過1Ω的電壓為1V，但通過0.2Ω的電阻消耗的電流為5A，則我們具有完全相同的電能。在這兩種情況下，無論我們使用電壓，電流還是電流和電阻進(jìn)行計(jì)算，功耗均為5W。在基于電流的計(jì)算中，我們得到P =RI2，其中P =5Ω*1A2= 5W或P = 0。
功耗分析中的第三個(gè)重要參數(shù)是效率?。效率表示能量從輸入到輸出的傳遞程度。
?= Pout /引腳
因?yàn)檩敵龉β士偸切∮谳斎牍β剩孕士偸切∮?/span>1。許多“功率”組件的數(shù)據(jù)手冊都提供了效率，利用這個(gè)數(shù)字，我們可以估算從輸入到輸出的功率傳輸量，從而計(jì)算出電壓和當(dāng)前水平。要知道的第四個(gè)重要項(xiàng)目是系統(tǒng)中正在發(fā)生變化的項(xiàng)目；是電壓，電流還是兩者？通常，無源組件和LED是“系統(tǒng)”，其中電壓從輸入到輸出變化，但是電流保持不變。在有源系統(tǒng)中，電流或電壓或什至兩者都可能改變。例如，與輸出相比，開關(guān)轉(zhuǎn)換器通常在輸入中具有不同的電壓和電流。
通常，功耗不是恒定的，而是隨時(shí)間周期性地變化。在這些情況下，我們?nèi)匀皇褂孟嗤脑韥矸治龉模俏覀儽仨毩私庖?jì)算的內(nèi)容。如果我們將功耗作為平均功耗和峰值功耗的時(shí)間函數(shù)，我們將得到與圖2相似的結(jié)果。平均功耗隨時(shí)間變化是恒定的，但是隨著功耗的變化，我們會在圖中看到功率峰值。功耗是周期[1]，[2]的時(shí)間積分，對于圖2中的情況，功耗為T = t3。
實(shí)際上，積分計(jì)算面積，該面積受功率曲線限制。在圖2中，改變功耗為A2，恒定功耗為A1。如果兩個(gè)功耗是從同一設(shè)備測量的，則兩種情況下的積分計(jì)算將得出相同的結(jié)果，因此A2的面積等于A1的面積。
圖2.平均和峰值功耗與時(shí)間的關(guān)系。
在分析功耗時(shí)，我們需要了解在計(jì)算過程中如何考慮交流功耗。平均求和一個(gè)時(shí)期內(nèi)的所有功耗，并在該時(shí)期內(nèi)平均分配功率。峰值功耗是特定時(shí)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，但也包括功耗較小或?yàn)榱愕臅r(shí)刻。因此，當(dāng)我們對加熱組件的功率感興趣時(shí)，平均功耗是有用的。當(dāng)我們使用峰值功耗分析電流和電壓峰值時(shí)，它非常有用。根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]，一些萬用表在AC模式下測量信號的均方根（RMS），并且該值與平均功耗有直接關(guān)系。參考文獻(xiàn)[1]＆amp; [2]顯示了平均功耗與RMS測量的交流信號之間的關(guān)系，該關(guān)系為：
P???=I???*U???
如果我們計(jì)算平均功耗，則可以僅通過使用萬用表AC設(shè)置測量交流電和電壓來驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果。當(dāng)然，如果我們知道系統(tǒng)中存在直流條件，則需要以直流模式測量電流和電壓。
分析功耗：電壓變化–電流常數(shù)
第一個(gè)示例很簡單，但適用于所有電子工程師：LDO穩(wěn)壓器。這些調(diào)節(jié)器的模型類似于圖3。我們還可以快速確定輸入電流和輸出電流幾乎相同，但是輸入和輸出之間的電壓不同。對于非常小的電流消耗系統(tǒng)，LDO的靜態(tài)電流變得很重要，但是如果輸出電流比靜態(tài)電流大得多，我們可以忽略它。
圖3. LDO電路示例。
在此示例中，我們有5V輸入電壓，3.6V穩(wěn)壓輸出電壓和140mA輸出DC電流。該LDO的功耗計(jì)算如下：
Ploss = Pin – Pout
= Vin *輸入-Vout * Iout
= 5V * 0.14A-3.6V * 0.14A
= 0.7W – 0.504W
= 0.196瓦
效率才是
?= 0.504W / 0.7W = 0.72
從功耗的觀點(diǎn)來看，在電流恒定系統(tǒng)中，關(guān)鍵參數(shù)是輸入和輸出之間的電壓差。對于這些，您必須仔細(xì)分析與電流有關(guān)的壓降，并注意其最終以熱量的形式結(jié)束。您必須確保所選組件能夠承受計(jì)算得出的功耗，并針對最大80％的數(shù)據(jù)手冊進(jìn)行設(shè)計(jì)。同樣，我們可以分析無源元件，LED，二極管，晶體管等的功耗。
分析功耗：電壓和電流變化
我們的第二個(gè)示例更為復(fù)雜：開關(guān)穩(wěn)壓器。如圖5所示的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器是一個(gè)電壓和電流都變化的系統(tǒng)。在此示例中，輸入電壓范圍為10V至20V，輸入電流也不明，因?yàn)樗踩Q于輸入電壓，設(shè)計(jì)輸出電壓固定為13.5V，所需的輸出負(fù)載電流為80mA。
升降壓開關(guān)轉(zhuǎn)換器的示例。
我們首先通過估算轉(zhuǎn)換器吸收的輸入電流來開始分析功耗。為此，我們利用了基于歐姆定律的功率和效率計(jì)算。轉(zhuǎn)換器輸出功率為
Pout = Vout * Iout
為此，我們添加了效率方程，得到
Vout * Iout =?*引腳
繼續(xù)使用前面介紹的實(shí)數(shù)（Vin 20V）進(jìn)行計(jì)算，我們得到：
13.5V * 0.08A =?* 20V * Iin
1.08W =?* 20V * Iin
我們有兩個(gè)未知參數(shù)，從開關(guān)轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)表中，我們需要檢查所用電壓和電流范圍的效率。在這種情況下，約為?= 0.85。現(xiàn)在我們可以計(jì)算開關(guān)調(diào)節(jié)器的輸入電流：
Iin = 1.08W /（0.85 * 20V）= 64mA
現(xiàn)在我們有了用于計(jì)算開關(guān)轉(zhuǎn)換器功耗的所有參數(shù)，并獲得：
Ploss =引腳-Pout = 0.064A * 20V-0.08A * 13.5V = 1.28W-1.08W = 0.2W
以相同的方式，我們可以計(jì)算出升壓模式下的功耗，再次可以看到我們的計(jì)算與實(shí)際測量值之間的相關(guān)性，如圖7所示。現(xiàn)在，分析的輸入電流為
Iin = 13.5V * 0.08A / 0.85 * 10V = 0.129A
升壓模式下的功耗為：
Ploss =引腳-Pout = 0.129A * 10V-0.08A * 13.5V = 1.29W-1.08W = 0.21W
功耗與組件的發(fā)熱有著密切的關(guān)系，重要的是要計(jì)算我們認(rèn)為至關(guān)重要的所有組件。這些組件可以是穩(wěn)壓器，晶體管，二極管，LED和無源器件。對于關(guān)鍵組件，我們必須檢查至少極限條件，這通常在RMS電流消耗最大時(shí)發(fā)生。我們需要將計(jì)算出的最大值與組件的最大值進(jìn)行比較，并確保在產(chǎn)品正常運(yùn)行期間無論如何都不會超過該最大值。
其次，我們需要分析關(guān)鍵電子模塊的功耗，例如開關(guān)轉(zhuǎn)換器，驅(qū)動器電路和功率級。對于這些，我們可以將功耗計(jì)算作為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)工作，如在開關(guān)轉(zhuǎn)換器示例中看到的那樣。此外，計(jì)算得出的功耗與數(shù)據(jù)手冊中的值值得比較，但是電子模塊的單個(gè)組件選擇應(yīng)基于設(shè)計(jì)和仿真。
另外，我們需要分析整個(gè)電子系統(tǒng)的功耗。我們需要將所有計(jì)算得出的電子模塊功耗匯總在一起，并將其與電源功能進(jìn)行比較。這樣，我們可以確保電源可以在整個(gè)電源電壓范圍內(nèi)為設(shè)備提供所需的電源。
最后但并非最不重要的一點(diǎn)是，我們需要記住，這種功耗中的大部分會變成熱量，并且需要分析電子設(shè)備是否需要額外的冷卻，或者我們是否可以忍受。