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DC/DC

開關式穩壓器的特性和評估方法

確認開關式穩壓器的重要特性是開關式穩壓器的基本。本項將從「IC規格」的觀點進行說明,而下一項則以「電源」的觀點進行説明。

目前開關式穩壓器的設計幾乎仰賴所使用之電源IC並未言過其實。因此,理解電源IC的規格可以說非常重要。

開關式穩壓器用IC的數據規格表有記載多項參數,並有顯示規格値。這裡僅就其中的輸入電壓範圍、輸出電壓範圍、輸出電流、開關頻率、運作溫度範圍等基本重要項目說明。

輸入電壓範圍
輸入電壓範圍係指IC可運作之輸入電壓範圍。視IC規格而定,種類最大有5V或40V等,因此必須選擇符合所使用電路的輸入電源規格。此外,不只是最大電壓,有許多IC亦規定了可運作之最小電壓。如果是降壓電源,則為可運作比已設定輸出電壓稍高電壓之最低電壓。再低下去的話,有時IC會停止運作或產生異常運作。為了防止這種情況,有些IC具備號稱UVLO(Under Voltage Lock Out)的保護功能。
除了穩定的輸入電壓外,還必須詳細檢討施加突波(Surge)等暫態電壓的可能性。視IC而定,有些將穩定電壓和暫態電壓分開來規定。
與最大額定輸入電壓的不同在於最大額定是可徹底施加之電壓,不問有無運作。
從高電壓變換為低電壓時,有時會承受降壓比的限制,未必在所有範圍皆可使用。

輸出電壓範圍
輸出方可設定之電壓範圍。輸出電壓固定型時則不在此限。降壓轉換器中,最小輸出電壓一般無法設定成比内部參考電壓(reference voltage)低之電壓。最大輸出電壓為輸入電壓減稍微損失電壓之値。
就輸出電壓值而言,IC的參考電壓精度、輸出電壓設定用電阻精度將有影響。

輸出電流
可輸出之電流値。有只能保證最小値之情況和也能保證最大值之情況。電流値仰賴輸出段開關式電晶體之能力和熱。一般來說,需要大電流時,輸出段開關式電晶體以外接式較為有利。
必須配合輸出所需之功率具備減額(derating)。剛剛好的話,有時會因熱而導致破壊。此外,暫態負載電流流動時,有必要確認輸出電壓處於十分安定狀態或於必要時間内維持安定。
規格値的標示有輸出電流(連續電流)和開關電流等表現。輸出電流(連續電流)時,可連續供給其電流。開關電流時,由於為可開關到最後之電流,故並非可連續供給電流,而是開關電流扣除幾成可連續供給電流之值。

開關頻率
欲開關之頻率,PWM時為已設定之頻率,呈現固定。PFM之頻率則因條件而有所變動。通常頻率變高時,可以使用小數值之輸出電容和電感,尺寸也會變小,不過效率低下。效率和尺寸必須進行取捨。
開關式穩壓器會附帶開關高諧波(higher harmonics)、開關雜訊,雖然可藉由濾波來降低,不過無線電或音響電路等對雜訊敏感之電路有可能S/N會低下。

運作溫度範圍
可運作之溫度範圍,以周圍溫度Ta或接合部溫度Tj規定。必須在考量欲使用機器之使用環境或運作保證後進行選擇。
以Ta保證時,未必其Ta所有範圍皆可使用。由於會發熱,故必須檢討周圍溫度和主要負載電流以免超過Tjmax。熱的問題攸關可靠度降低或事故,因此非常重要。

要點整理如下。

開關式穩壓器IC的規格和意義 重點
輸入電壓範圍
可運作之輸入電壓範圍。不只是最大電壓,有時亦有規定可運作之最小電壓。
  • 須覆蓋輸入電源之條件且有減額
  • 亦考量輸入電源之變動(電池輸入等)或暫態電壓
  • 亦檢討降壓比
輸出電壓範圍
輸出方之可設定電壓範圍
  • 針對設定電壓具有減額(考量損失部分)
  • 通常無法設定比内部參考電壓低之電壓
輸出電流
可輸出之電流。仰賴輸出段開關式電晶體之能力和熱。
  • 具有減額(derating)
  • 亦考量暫態電流
  • 連續輸出電流和開關電流不同
開關頻率
欲開關之頻率。PWM時為已設定之頻率,呈現固定。PFM之頻率因條件而有所變動。
  • 效率和尺寸的取捨
  • 考量開關雜訊、高諧波對使用電路之影響
運作溫度範圍
可運作之溫度範圍。以周圍溫度或接合部溫度規定。
  • 考量應用面之要求(民生、車載等)
  • 熱相關之考察非常重要
  • Ta+自我發熱不得超過Tj max。

重點:

・開關式穩壓器之設計由於依據電源IC之使用法,故理解、檢討IC規格非常重要。

・須理解電源規格和IC規格的關係。


開關調節器的特性及驗證方法