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DC/DC

開關式穩壓器的特性和評估方法

開關式穩壓器的基本:重要特性-電源特性

針對開關式穩壓器的基本,在此進一步說明開關式穩壓器的重要特性,繼前項「IC規格」之後,接著是「電源」的重要特性。

如前所述,近年開關式穩壓器的設計大多仰賴欲使用的電源用IC,為了符合電源的必要規格,選擇IC是一大前提。因此,應檢討IC和電源規格間可能需要進行的若干取捨。

例如,電源方面,若過電流保護功能必須,則選擇IC時除了過電流保護外,亦有可能具備過電壓保護或過熱保護。視IC而定,有些可以選擇將功能設為無效,不過大多無法選擇。此時,縱使有,如果沒有不適合的話,變更為已追加其功能之電源規格或許是不錯的選擇。反之,雖然也有選擇無過電流保護之IC,外接電路並搭載過電流保護功能的方法,不過考量到電路設計、追加分品、驗證運作等,時間、成本、實裝空間的缺點極有可能較多。如果沒有功能性問題或成本増加等的話,在電源方面想必優點高且可以容許取捨。

電源的重要特性有最低限度理解後,應檢討特性如下:

電源電壓調整率(Line regulation)
電源電壓調整率係輸出電壓之變動對輸入DC電壓之變動。有時亦以%或例如12mV等已決定輸入範圍之具體變動値表示。電源電壓調整率在電源IC中,特別是線性穩壓器中,幾乎所有場合都存在同名的規格値,意義完全相同。輸入範圍條件儘管基本上設定成預估電壓做為電源輸入,然而電源電壓調整率終究為連續輸入電壓之變動,也就是與非暫態性變動有關之特性。

近年IC的電源電壓調整率雖然非常優秀,但電路上並非完全仰賴IC之性能,必須檢討輸入電容以使輸入電壓能充分安定。

負載調整率(load regulation)
負載調整率係輸出電壓之變動對負載電流之變動。與電源電壓調整率同樣以%或負載變動間已決定之變動値表示。IC本身雖然與電源電壓調整率同様有此規格,不過當做電源來看時必須將著眼點擺於電壓因輸出線路之電阻成分而不同,在電源出口和負載入口方面電壓則因電壓下降而不同。在電源輸出之出口方面,當負載電流變動時會產生依存於電源電路本身負載調整率的變動,而在負載之入口方面線路阻抗成分的電壓下降會被追加,需要大電流的負載電源引腳電壓會意外降低等案例不在少數,必須注意。有關於此,將在「開關式穩壓器的評估」一項中詳細説明。

雖然有暫態性變動做為負載變動之1,但是與電源電壓調整率同様,負載調整率並非針對暫態現象的特性。對於負載暫態,須另外以所謂負載暫態響應的特性來思考。

效率
效率意指輸出功率對輸入功率之比率(%)。簡單來說,就是測量由輸入引進之功率(電流×電壓)和取自於輸出之功率所得到的値。效率的重要性無庸置疑,而抑制損失則攸關發熱的降低。發熱不僅會限制取得之輸出功率,也需要空間或設備來散熱,最後還會變成使電源電路或附加電路可靠度降低的要素,是重量級的檢討事項。

輸入/輸出漣波電壓
漣波電壓就是脈流,發生於輸入和輸出兩方。既然是開關式穩壓器,輸出便必定存在有起因於開關之漣波電壓。有時也會以開關雜訊來表現,不過開關雜訊似乎大多包含高諧波或尖波(spike)等。

漣波特性的檢討事項有所謂脈高的漣波電壓値和頻率。使如FPGA般1V以下低電源電壓之設備時,有案例顯示無法滿足漣波電壓所要求之電源電壓精度。此外,包含高諧波或突波在內也是讓系統S/N低下的原因。

輸出漣波(output ripple)雖然可能因輸出濾波器(output filter)而減低,不過頻率如PFM般變動時則有時更有檢討的必要。

輸入漣波(input ripple)藉由開關式電晶體開關大電流後引進輸入力而發生。有時尖波(spike)會因此電流的開關(入/切)和輸入的寄生感應係數(parasitic inductance)而發生,因此在電路布局設計(layout design)上必須注意。坦白說,輸入電容極需要連接於IC輸入引腳旁邊排除寄生感應係數等方法。

負載暫態響應
負載暫態響應特性意指輸出負載電流急劇變動時輸出電壓返回設定値前之反應速度。除了考量輸出容量(電容)或ESR(等價串聯電阻)外,IC本身之反應性能亦為重要之因素。電流模式之電源IC可藉由調整位相特性達到最佳化。此外,遲滯(漣波)控制也是負載暫態響應特性非常好的方式。

消耗功率
電源電路所使用之元素(IC或電晶體等)的可消耗功率是直接的。亦即依據Tjmax(接合部溫度的最大額定)和封裝的熱阻抗計算出的可消耗功率功率,功率元件(開關式電晶體),內建型的話則為IC之消耗功率。若從電路來看,最近功率元件由於大多於機板進行表面安裝,利用機板做為散熱板(當然,大功率電路的話會個別設置散熱板),因此焊盤圖形佈局(pattern layout)也有極大關係。總之,散熱和消耗功率皆必須檢討,熱計算的確實進行非常重要。

要點整理如下:

電源的重要特性和意義 重點
電源電壓調整率
輸出電壓之變動對輸入DC電壓之變動。以%或已決定輸入範圍之具體變動値表示。
  • 須可在輸入電壓的預測變動範圍內取得安定之輸出
  • 須另行考量暫態性輸入變動
負載調整率
輸出電壓之變動對負載電流之變動。以%或已決定負載變動範圍之變動値表示。
  • 須具備可維持必要輸出電壓精度之負載供給能力
  • 電壓於電源出口和負載入口會因線路的阻抗成分而有所不同,因此大電流負載時必須特別注意
效率
輸出功率對輸入功率的比率(%)。
  • 抑制損失與降低發熱有關聯
  • 發熱除了會限制可取得之輸出功率外,亦需要散熱或冷卻的空間或設備,最後還會變成讓電源電路或附加電路可靠度降低的主因
輸入/輸出漣波電壓
亦即脈流,會產生輸入和輸出兩方。
  • 輸出必有起因於開關之漣波電壓
  • 輸出電壓精度包含漣波
  • 須注意輸入之寄生感應係數所導致之突波
負載暫態響應
輸出負載電流急劇變動時輸出電壓返回設定値前之反應速度。
  • 輸出負載電流急劇變動時,有別於負載調整率,會產生短時間的輸出變動。
  • 可藉由採用反應佳之電流模式或遲滯(漣波)控制之電源IC對應
消耗功率
根據封裝之熱阻抗所算出可容許之損失功率。
  • 必須進行功率設備的熱計算
  • 布局設計對散熱也很重要
  • 原則上Ta+自我發熱不得超過Tj max

開關調節器的特性及驗證方法