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DC/DC

開關式穩壓器的特性和評估方法

茲說明電壓控制方法做為開關式穩壓器的基本。不論開關式穩壓器與否,電壓穩壓器的功能為產生安定化之輸出力電壓。因此,在「反饋控制方式」一項中業已說明,必須將輸出電壓反饋至控制電路來進行電路控制。在此要説明的是有關電壓控制的方式,例如該進行何種控制才能將輸入電壓調整為5V等。

開關式穩壓器如名稱所示,係藉由開關輸入電壓,也就是ON/OFF來變換成所希望的輸出電壓。此結構在「運作原理」一項中業已説明,簡單來說就是切割後平均化以均衡已設定輸入電壓之輸出電壓。此輸入電壓之切割法主要有2個方法。

・PWM控制(脈衝振幅調變)

PWM是最一般性的電壓控制方法。在一定周期下,將開關設為ON,從輸入取出符合輸出所需功率之部分。因此,ON和OFF之比率、佔空比(duty cycle)會隨必要之輸出功率而變化。

由於頻率一定,故有可預測即將產生之開關雜訊、濾波處理容易等優點。缺點方面,由於頻率一定,重負載時和輕負載時之開關次數皆相同,自我消耗電流不變,故輕負載時其開關損失受到控制,效率降低。

因周期一定而ON/OFF時間比變動

●頻率一定且依佔空比調整輸出電壓

  • 由於頻率一定,故容易過滤雜訊
  • 因頻率一定,故輕負載時開關損失導致之效率劣化顯著

・PFM控制(脈衝頻率調變)
PFM有固定ON時間型和固定OFF時間型。以固定ON時間型為例(參照下圖),ON時間一定而OFF時間變化。換言之,在下一個ON來臨前的時間會變化。當負載變大時,將會增加時間内的ON次數來迎和負載。也就是重負載時頻率會變高,輕負載時頻率會變低。

優點在於輕負載時由於不太需要追加功率,開關頻率變低,開關次數減少,開關損失減少,故輕負載時亦可維持高效率。缺點在於因頻率會變化,開關相關雜訊不穩定且難以濾波。總之,難以消除雜訊。此外,當頻率衝破20kHz時則進入人耳的聽覺範圍,可能會開始產生鳴音,音響機器的話則有可能會影響S/N。因此,可以說PWM比較容易操作。

4D_PFM

將ON(或OFF)時間設為一定,調整OFF(或ON)時間

  • 輕負載時由於會降頻率運作,故開關損失會減少而維持效率
  • 由於頻率不穩定,故雜訊濾波困難而有進入聽覺範圍的可能性

該利用哪一方必須在理解各特性後進行取捨,不過有些IC為了能夠利用雙方的優點,於穩定運作時採PWM運作,於輕負載時開關成PFM來維持效率。

4D_graph

●PWM和PFM的效率特性想像圖

  • PWM於輕負載時亦以一定之周期開關,故效率低下。
  • PFM於輕負載時會降頻率運作,故開關損失減少而維持效率
  • 有些IC類型藉由穩定時採PWM,輕負載時開關成PFM,使雜訊變少,改善輕負載時的低效率。

重點:

・PWM(脈衝振幅調變)因頻率一定而藉由ON/OFF之時間比(佔空比,duty cycle)進行控制。

・PFM(脈衝頻率調變)係將脈衝之ON(或OFF時間)設為一定使OFF時間(或ON時間)變化後進行控制。

・理解優缺點後區分使用。

・兩方控制開關使用,甚至編入詳細控制模式的IC越來越多。


開關調節器的特性及驗證方法