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DC/DC

開關式穩壓器的特性和評估方法

開關式穩壓器的評估:效率之測量

以「開關式穩壓器的評估」為題已說了「輸出電壓」、「負載調整率」、「負載響應之檢討、測量方法」、「電感電流之測量」等4項。這裡接著說明第5項「效率之測量」。

何謂開關式穩壓器之效率

測量效率之前須事先溫習開關式穩壓器效率的定義或概念。

開關式穩壓器的效率一般以%(百分比)表示。雖然以小數點表示也可以,不過這裡以%進行話題。效率的公式如下:

如所見,公式並不特別,純粹為「可取得功率」對「已輸入功率」之比。例如,「效率90%」意味已輸入功率之90%可利用做為輸出,10%變成損失,主要轉為熱後消失。開關式穩壓器,也就是DC/DC轉換器或AC/DC轉換器正在進行功率變換,這樣說的話想必比較容易了解。當然,進行電壓變換之LDO穩壓器等線性穩壓器之效率也以相同計算公式及功率算出。

想必沒有必要再提,不過為了慎重起見還是再強調一次,輸入功率為輸入電壓×輸入電流,而輸出功率為輸出電壓×輸出電流。很明顯的,只要測量即知道效率。

測量及檢討

測量本身比較簡單。原則上測量平均功率後再根據功率進行計算。開關式穩壓器之輸出基本上有漣波,輸出電壓和輸出電流因漣波而產生變動。輸入也有存在漣波的案例,不管怎樣,要測量的不是伴隨漣波之顛峰値,而是平均値。測量平均功率並非特別困難,不使用示波器而使用電壓計或電流計的話,其測量値自然為平均値。

其他還需要輸出負載。由於須測量穩定之平均電流,可以利用電子負載或電阻。

測量雖只使用電壓計和電流計,不過輸出負載須測量供電電路之最低値、標準値、最大値等數點以上,視情況還必須繪製成圖表。除了使所預測之輸入力電壓範圍變動外,亦使周圍溫度變化並加以測量。

測量的同時若以示波器一面監視,可以知道有無因負載或連接計測器之影響而發生異常。引起振蕩等情況時,以電壓計或電流計測量之平均値不能說是可評估之資料。此外,特別在最大負載時必須注意IC或其他零件有無異常發熱。高溫下之測量須事先確認常溫可獲得充分效率,然後在具某程度精度之溫度管理下進行測量定。若超過Tj之最大額定,即使電路或運作沒有問題也會發生異常,最糟情況有時還會導致破損,必須充分小心注意。

檢討已測量之效率首先最好參照數據表刊載之效率圖表。電路或零件由於大多依照數據表之標準例,因此效率曲線基本上亦極為接近。在比較意義上,有些方法使用與數據表圖表條件相同之條件進行測試。此外,與廠商提供之評估板做比較也是好方法。此時,如果外接零件等不同的話必須更換後測量。

以下為重點整理。

  • 效率以平均功率來計算(不使用漣波之顛峰值)。
  • 利用電壓計/電流計可獲得平均値。
  • 將可預測之輸入範圍、負載(輸出)電流、周圍溫度等變動因素編入後測量。
  • 一面以示波器監視一面測量亦有效果。
  • 以最大負載測量時須注意異常之運作或發熱。
  • 評估須參照數據表之效率圖。

效率低於預測時

檢討結果若為「雖無異常運作,但效率出乎意料地低」等結論時,須找出使效率低下的原因並進行調整。因此,包含經驗在內若事先知道損失發生場所或零件的話,可有效且迅速地對應。

損失雖然會在電路内消耗功率之所有部分產生,不過主要損失因素為I2R損失、開關損失及自我消耗電流損失、遷移損失、其他損失。

I2R損失因內建功率電晶體(power transistor)之ON電阻和外接電感之直列電阻而發生,因此須確認功率電晶體之ON電阻和電感之直列電阻是否足夠低。

開關損失及自我消耗電流損失是需要IC內部功率電晶體閘極驅動(gate drive)電流和控制電路之電流。功率電晶體內建型IC由於無法從閘極電荷(gate charge)選擇Power MOSFET(功率金氧半場效電晶體),故基本上選擇消耗電流小之IC或不會增加消耗電流之零件定數。

遷移損失係因上側Power MOSFET在遷移中短時間飽和而發生。此外,停止時間(dead time)中之導通損失亦為眾所皆知之損失。這些由於已被固定於IC內部,因此幾乎任何情況皆無法調整。可調整之其他損失有電感之核心損失、機板線路阻抗等,不過從全體損失來看只佔了極少比率。

像這樣的重點儘管不勝枚舉,然而仰賴電源IC的比例還是相當高。尤其是功率電晶體內建型,除了確認外接零件外幾乎別無他法。當然,電源IC因進行高度控制處於最適合狀態,故基本上可以獲得最佳特性。

反過來說,選擇可以獲得目標效率之IC就變得非常重要。

話雖如此,由於完全無計可施,故以BD9A300MUV為例。

<BD9A300MUV電路效率比預期低的原因例>

 

輕負載時(10mA以下)

  • PGD(Power-Good)或EN(Enable)上拉(pull-up)至輸入電壓。
  • 反饋(feedback)電阻使用小定數(100Ω以下)而產生無效電流。

重負載時(1A以上)

  • 使用大DCR之電感。
  • 使用大ESR之電容。
  • 因周圍溫度上升、IC或電感自身發熱而產生DCR増加、輸出電晶體ON電阻増加、電感感應係數減少、特性劣化。

效率測量相關的説明到此為止,而「開關式穩壓器的評估」也就此結束。

重點:

・開關式穩壓器的效率為輸出功率對輸入功率之比率(%)。

・以平均功率來計算。

・功率電晶體內建型IC由於所有損失幾乎視IC而定,故屬於可以無視外接零件等損耗之程度。


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