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2017.05.31 DC/DC

開關式穩壓器的評估:輸出電壓

開關式穩壓器的特性和評估方法

由此項開始進入新章「開關式穩壓器的評估」。「開關式穩壓器的基本」、「電源IC數據表的解讀法」2章定位在實際評估開關式穩壓器所必要之基礎知識。從這裡要開始就實際電路運作或特性談論「如何看什麼」。

以下是包含今後預定在內的索引。既有項目亦大多為「開關穩壓器的評估」相關之內容,希望可以做為参考。

那麼,現在就從「開關式穩壓器的評估」第1項「輸出電壓」開始説明。

<開關式穩壓器的特性和評估方法>

輸出電壓

開關式穩壓器的工作是產生安定化的輸出電壓,以便使其做為負載(其他裝置設備)之電源。因此,輸出特性之評估理所當然就成為主要事項。主要輸出特性有電壓、電流、暫態響應、雜訊等,這些都有相互關係。本項首先就輸出電壓進行說明。

一般來說,輸出電壓的評估重要如下:

14D_graf

 ・評估項目
-電壓精度:包含漣波電壓在內之最小値、最大値
-漣波電壓大小:電壓振幅、波形
-高諧波雜訊、突波等

・評估方法
-以示波器(oscilloscope)觀察輸出電壓
-(頻譜分析儀,Spectrum analyzers)

・條件設定
-輸出負載電流:需要可變型之負載裝置
-輸入電壓:需要可變型之DC電源
-溫度:簡單的重點式加熱/冷卻亦可

具體來說,就是一面改變條件一面以示波器觀察輸出電壓。視狀況而定,雖然有時頻譜分析儀較為有效,不過即使只有示波器也幾乎能夠全部確認。這裡的重點在於以示波器觀察。示波器原本並非可以正確測量電壓之工具,開關式穩壓器之輸出電壓含有漣波或雜訊等各種成分,將測定值平均後顯示之電壓計等無法確認。

電壓精度將確認漣波電壓之最低値和最大値是否進入負載裝置要求之精度内。FPGA等最近高性能裝置要求達±2%以下非常嚴格之電源電壓精度。加上電源電壓大多低至1V左右,實際之容許電壓僅僅一點點。必須包含漣波電壓之顛峰值而非平均值才能符合。

須確認漣波電壓是否為設計時以下列公式設定之電壓、漣波波形有無異常。

14D_formulas01

當然,漣波電壓即使依照設計,倘若結果無法符合負載裝置的精度要求則必須重新評估。同様的,亦須觀察輸出是否包含異常突波或高諧波。

這些特性之狀態會隨負載或溫度起變化,因此務必加入變動要因後進行觀察。

評估需要樣本來判斷輸出電壓及波形應該會如何。多數情況下,其電源IC數據表有刊載標準且理想之波形(參照下圖),此在「電源IC數據表的解讀法」亦有提及。

14D_graf02

此外,IC廠商有提供評估板時可以與其做比較。由於可以在相同之測定器或環境下進行評估,故現實上不失為一個好方法。

從處理高速波形的觀點來看,以示波器觀察必須注意若干幾點。以下照片和圖表是縱使相同機板也無法以探針(probe)連接法觀察正確的波形。

13D_graf03

左方之照片和波形圖係以示波器之探針連接測試端子(test terminal)後以夾鉗進行GND,輸出波形可以看見多數高頻突波。另一方面,右方之照片和圖表則以專用連接器連接探針,這裡看不到突波。原本之輸出電壓為右方之波形,左方之波形因探針接地線(ground wire)等之影響使原本不存在之突波產生。

由上例可知,在評估開關電源時需要具備處理及測量高頻率之技術。

重點:

・評估開關式穩壓器之特性時須了解應測量之重點及具備必要之測定技術。

・評估輸出電壓須一面改變諸條件一面以示波器觀察漣波或雜訊等。

・利用數據表之圖形或評估板做為比較基準。

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