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開關式穩壓器的特性和評估方法

開關式穩壓器的評估:負載調整率

「開關式穩壓器的評估」第2項為「負載調整率」,本項要說明其概念、如何測量、評估。

・負載調整率的概念

負載調整率(load regulation)不僅是在電源,亦是在電源IC中常有的參數項目。意指,電源輸出電壓對於負載電流(輸出電流)之變変動會有多少變動,以%百分比或10Mv等實際奱動値來表示。比較理想的說法是,電源輸出電壓因為區於安定化,即使負載電流變動,電壓也可以保持一定。不過,既然輸出阻抗(impedance)或線路(line)阻抗存在,變化無論如何都會產生。

負載調整率以電源之輸出端子進行測量和以連接於電源輸出之負載,亦即受電IC等電源端子進行測量其主旨不同。以電源輸出端子觀察之負載調整率為其電源本身之負載調整率,可以說是電源特性。以負載裝置電源端子觀察之負載調整率則為電源特性加上從電源輸出端子到負載電源端子之線路阻抗導致之電壓下降。

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如上圖,負載裝置中電源端子之電壓純粹根據歐姆定律(Ohm’s law)。例如,線路阻抗為0.1Ω時,若取1A之負載電流,則線路阻抗部分之電壓下降將為0.1V,如果是以一般5V/3.3V電源所求得之5%精度就沒有問題,不過如果是FPGA等1V左右之低電壓電源且需要類似2%之高精度時則NG。此外,若電流増加,即使5V/3.3V也會OUT。因此,檢查負載調整率時確認負載裝置電源端子電壓是否位於要求精度内非常重要。

既然如此,或許應思考將線路阻抗縮小的問題,只不過再怎麼縮小也無法使其為零。也就是說,線路阻抗導致之電壓下降原則上會發生,負載電流増加的話將如計算所示達到NG狀態。要避免這個情況,可利用以「遙測(remote sensing)」手法。

安定化電源藉由反饋電路控制輸出電壓,即使負載電流變動亦可使輸出電壓維持一定。以電源IC來說,在FB端子、電源模組中將輸出反饋於所謂感測端子等端子。這裡的重點在於能否感測(反饋)哪一點的電壓。下圖例為1.8V輸出之電源,在感測(sense)電源輸出端子之電壓時顯示感測負載裝置電源端子時負載裝置電源端子對負載電流之電壓。線路阻抗設為0.1Ω。

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感測電源輸出端子之電壓時(紅色箭頭)因為線路阻抗幾乎沒有條件,故電源輸出端子會維持1.8V,不過負載裝置電源端子中會產生負載電流×線路阻抗部分之電壓下降。由於沒有產生問題,因此盡可能這樣做。

感測負載裝置電源端子之電壓時(藍色箭頭)因為可以控制負載裝置電源端子之電壓使其維持為1.8V,故不論負載電流與否皆可維持已設定之1.8V。此時,電源輸出端子之電壓非1.8V,而是被附加1.8V+(負載電流×線路阻抗),亦即電壓降下部分之電壓。此負載端電源輸出電壓之感測稱為遙測(remote sensing)。尤其在大電流、低電壓之條件下更需要遙測。

・負載調整率和負載暫態響應

下面2個波形圖是負載電流急劇變化時輸出電壓之變化。這裡要注意的是,此種評估方法可以觀察負載調整率(load regulation)和負載暫態響應兩方。本項所説明之負載調整率為波形穩定電壓(constant voltage)部分之電壓値,有必要分開來思考,對策也不同。

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左方波形為沒有進行遙測之情況,上方軌跡為輸出電壓,下方為輸出電流。若負載電流大致從零瞬間增加時,由於無法瞬間對應故電壓會剎那間下降,不過短時間會追隨而變成穩定電壓。此為負載暫態響應特性。評估負載調整率穩定之電壓時可以知道電壓下降的發生。右方波形有進行遙測。穩定電壓部分幾乎看不到差異。

以下為負載調整率評估重點之總整理。

負載調整率的評估重點

  • 評估項目
    -輸出電壓針對負載電流變動所產生之變動→已變動之電壓是否符合要求精度?
       ※亦須確認漣波電壓針對負載電流變動所產生之變化、波形之異常
  • 評估方法
    -以電壓計測量輸出電壓→測量負載裝置電源端子之電壓,確認負載裝置之電源電壓是否充分?
    -以示波器觀察輸出電壓、波形
  • 條件設定
    -負載電流:需要可變型負載裝置
    -溫度:簡易重點式加熱/冷卻亦可

重點:

・負載調整率以輸出電壓對負載電流之變動比或電壓値來表示。

・以I電源I電路之輸出端子測量和以負載裝置之電源端子測量會有所不同。

・由於負載裝置電源端子之電壓並不合乎理想,故進行遙測。


開關調節器的特性及驗證方法