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DC/DC

線性穩壓器的基礎

這裡所提的線性穩壓器為IC(Integrated Circuit/積體電路),與其他IC,例如運算放大器等同様,有表示特性或性能的規格。規格的英語為Specification,有方法、標準、基準等含意。線性穩壓器的數據表即規格(標準)表,其中有表示輸出電壓値及其精度等。這些稱為參數。數據表除了參數之外,還記載了最大額定值、工作保證條件、特性圖等非常重要的資訊。圖-9為基本數據表、規格確認點及規格表之例。

絕對最大額定值定義為連瞬間都不可超越之值。其中雖然然有時會包含短絡時間等時間概念之項目,不過基本上任何時間皆不可超越,當然更沒有±5%之寬裕值。有些人會問:「超越的話會如何?」或「極限在哪裡?」等問題。或許大家有興趣知道,不過考量絕對最大額定值的定義後就瞭解這問題並沒有討論的空間,應該檢討的是如何讓使用上的最大値不超過最大額定值,或是使用較充裕的最大額定值。

保證規格値之條件非常重要,例如確認施加電壓或溫度等。實際使用條件和規格規定條件未必一致。舉一例代表,若條件為Ta=25℃,其保證値則終究為Ta=25℃下之値。然而,實際使用上並非Ta=25℃這樣的恒溫條件中。因此,查看規格値時務必確認是否為一點之值、某範圍,例如工作保證溫度之値,然後再確認實際使用條件及接近設計機器工作條件之値。附帶之特性圖可有助於判斷。

最後,規格値會記載最小値(Min)、最大値(Max)、代表値(Typ)之任何一值或全部。其中,可以保證的証只有最小値和最大値。代表値根據特性分佈或統計手法,數值有「大概這麼多」之含意。儘管基本上以規格値作為設計的基礎,然而到底該使用哪個值來設計才好呢?代表值的大概是什麼意思?原則上來說是要以最差條件的値為基準。如何判斷就需要靠設計者的經驗與know-how。

在此說明線性穩壓器中最起碼必須了解和檢討的規格、列出下列7項重點。當然,其他規格並非可以忽視。除了線性穩壓器外,充分閱讀數據表對設計者來說也非常重要。

圖9: 數據表、規格確認要點

圖9: 數據表、規格確認要點

  • 1) 輸入電壓範圍
  • 2) 輸出電壓範圍
  • 3) 輸出精度(VREF精度)
  • 4) 輸出電流
  • 5) 電壓降
  • 6) 暫態反應特性
  • 7) 漣波抑制率

重點:

・絕對最大額定值為必須嚴格遵守的重要項目。

・在設計上,所有工作溫度範圍內可保證之值是有用的。

・Typical値非保證値。

・不僅是電源IC,充分閱讀數據表也非常重要。

輸入電壓範圍

輸入電壓範須確認2個値。最大額定值所顯示的範圍有「可輸入」之意,施加電壓之範圍,並非表示在此範圍內都會正常運作。故須預設不穩定電壓的狀況,並確認是否落在範圍內。

圖10: 輸出入之關係

圖10: 輸出入之關係

有別於最大額定,由於有工作輸入範圍或建議輸入範圍項目,故以其為目標。

圖10為輸入範圍、輸出範圍、以及電壓降之關係。有效輸入範圍為「輸出電壓+電壓降以上到最大輸入電壓為止」。由於線性穩壓器只能降壓,故即使輸入「輸出電壓+電壓降」以下之電壓亦無法工作。至於輸入此電壓以下會如何則視IC電路構迼而定,但大多會呈現「輸入電壓-電壓降」左右之電壓。不過並不能保證是否穩定運作。如果輸入電壓更低時,一般認為會突然降至0V。但在以電池驅動等應用,電路都會持續運作到電池耗盡,這類電池應用也會使用到低電壓區。

重點:

・圖10之關係須充分了解後設定輸出入條件。

輸出電壓範圍

圖11

圖11

輸出電壓範圍為可變型之專用規格,固定輸出型則無。所謂輸出電壓範圍,係在因應可變上輸出電壓可設定之電壓範圍。

輸出電壓範圍基本上其可變型可設定之最低電壓為VREF。VREF係1-1)項工作原理中已説明之誤差放大器所連接之比較用基準電壓。工作電路無法處理低於基準電壓(VREF)之電壓。

VREF由於為IC之一部分,故基本上無法從外部變更。一般來說,CMOS系線性穩壓器大概使用0.8V左右,而雙極系使用1.2V左右之VREF。這裡必須注意的是,例如若需要1V輸出功率時,則不得選擇1.2V之VREF

圖12

圖12

話題回到輸出電壓範圍,其最低電壓為VREFIN MAX)-電壓降。(參照圖10)。

輸出入條件可根據上記關係以計算求得,但有時會因損失功率而受限制。進行不超過TjMAX之熱計算,有時會因VIN、VOUT、IOUT、Ta之條件而需要權衡(Trade-off)。

重點:

・通常無法將低於VREF之電壓設定為輸出。

・視設定條件而定,有時無法容許熱損失,故必須藉由熱計算來確認。

輸出精度(VREF 精度)

圖13

圖13

輸出精度為固定輸出型輸出電壓之容許誤差。以前的標準為±5%,最近則大多為±1%之高精度。
輸出精度與溫度及輸出電流密切相關,實際上的使用狀況並非只在25℃,故設計時須參照全溫度範圍規格。

可變型方面,VREF之精度合適,此將成為IC本身之精度。可變型之輸出電壓由於可用外接電阻來設定,因此可變型之輸出精度須於VREF之精度摻入輸出設定電阻之誤差。

重點:

・可變型之輸出電壓精度受 VREF 精度及輸出設定電阻之誤差所影響。

・若為通用電壓,則最好使用固定型。輸出精度更高,且不必外接2個電阻。

輸出電流
輸出電流之規格為保證可輸出最低限電流之項目,基本上想必大多規定最小値。視數據表而定,有時以輸出電流界限(Output Current Limit)來表現。英語Limit的意義在此並非「限制」而是「界限」,若可保證最小値,其意為「保證最小限度之電流值」,因此實際上為超過之電流。必須注意的是,有時會因誤認值為電流限制而破壞負載。此外,有些IC會規定最小値和最大値。此時最大値有電流被限制之意,為慎重起見,最好向廠商確認其限制値。

圖14

圖14

那麼,可以利用被保證的輸出電流嗎?答案是「視條件而定」。在兼顧輸出入條件、周圍溫度條件的考量下決定。這裡再次陳述,對線性穩壓器而言,熱計算永遠需要,而且是重要的管理項目之一。

類似規則中,有時會顯示短絡電流。短絡電流是輸出端子接地故障(ground fault),也就是與GND短路時所流動的最大電流。了解此電流的話將有助於在最惡劣條件下的應理決策。

幾乎所有線性穩壓器都擁有輸出短絡時的保護功能。熱關機(Thermal Shutdown)是代表性保護功能,檢測出晶片温度後切斷輸出力電流。線性穩壓器的晶片藉由此功能而不超過限制溫度(大多在150℃前後)以上,故幾乎在任何情況下皆不會損壞。而在晶片的溫度下降時,會自動復原(例如過溫栓鎖(Latch-Off)等),若無法去除負載障礙的話,有時又會開始流出電流,間斷流動可輸出變成負載電流,也有可能在未達負載前的狀態下不受保護。

重點:

・務必詳細確認數據表的符合項目,並確認是否為最大値或最小値。

・規定輸出電流並非經常可以獲得,受限於輸出入條件和 TjMAX

・務必確認過電流時或短絡時之工作(最大電流、熱關機、過溫栓鎖等)具體上會如何。

電壓降

圖10: 輸出入之關係

圖10: 輸出入之關係

電壓降(dropout voltage)是線性穩壓器工作穩定化所必要之輸入電壓和輸出電壓之差。有時會以損失電壓表現,當然由於為前述定義之損失電壓,因此其意義不同於例如以12V輸入得到5V輸出時之損失電壓為7V。字眼雖然為釋放(Dropout),但當輸入電壓接近輸出電壓時便無法維持穩定運作,輸出會開始與輸入成比例下降。此狀態以英語的Dropout來表現,而進入此狀態之電壓,也就是穩定運作所需之輸入電壓和輸出電壓的差則稱為Dropout電壓。

先前用來表示輸出入電壓和電壓降間關係之圖10再顯示一次。如1-3)線性穩壓器電路構造和特徵一項所説明,電壓降視IC的電路構造而定。相較於標準型,LDO的電壓降較低。就單純關係而言,電壓降越低越能以接近輸出電壓之輸入電壓工作。這在輸入電壓會變動的電池驅動應用上成了重要的規格。反之,從12V製造5V的應用上,電壓降並不重要。另外,電壓降小的話,效率是否會變佳?這個問題稍後再做說明。

圖16: 電壓降和輸出電流

圖16: 電壓降和輸出電流

圖17: 電壓降

圖17: 電壓降

圖16和17表格為電壓降和輸出電流、以及溫度的關係。一如所見,對於溫度或輸出電流可以說各有其適當變動的參數。如果以常溫規格勉強設計的話,有可能會因高溫而無法工作。除了電壓降外,特性圖表亦提供了非常重要的資訊。

圖15

圖15

重點:

・必須充分理解圖10之關係。

・由於變動會因輸出電流和溫度而變大,因此切勿掉入最小輸入電壓時無法工作之條件中。

暫態反應特性

暫態反應特性若輸出電壓藉由負載電流之變動而變動時,線性穩壓器將會回到所設定輸出電壓之電壓値。從此輸出電壓之變動到還原之時間稱為暫態反應特性。嚴格來說是負載暫態反應特性。

或許有人會問,穩壓器的工作不就是穩壓嗎?的確,穩壓器會使運作穩定,只是不僅是穩壓器,任何東西在狀態變化後一直到因應皆需要一定的時間。輸出的負載變動非常快速時,線性穩壓器將來不及進行反饋(穩定化)電路反應,出現負載電流急劇増加時輸出電壓下降,急劇減少時上升的現象(參照圖19、20)。

圖19: 負載電流急増例。輸出電壓會隨著振鈴(ringing)逐漸回復後瞬間下降。

圖19: 負載電流急増例。輸出電壓會隨著振鈴(ringing)逐漸回復後瞬間下降。

圖20: 負載電流急減例。輸出電壓瞬間上升

圖20: 負載電流急減例。輸出電壓瞬間上升

由此可見,在負載電流急劇變化之應用上,暫態反應特性是很重要的特性。輸出電壓藉由負載變動而大變動時,若其回復速度慢則或許會產生電路重置(reset)或數據錯誤等故障。為使這種故障減至最小限度,必須選擇暫態反應特性良好之線性穩壓器。之後會説明的開關穩壓器雖然也同樣具有暫態反應特性,不過線性穩壓器的暫態反應特性由於連續進行電路控制,故比較高速。

可是,暫態反應特性幾乎所有情況皆無法保證規格。這是因為受到輸出容量或配線電感(Inductance)的影響,所以無法一概決定規定値。標準電路例之特性如圖表所示,此時可做為参考値。如上述,由於特性也會因PCB設計而異,故最後建議以實機進行實測。

圖18

圖18

重點:

・負載(輸出)電流急劇變動時,輸出電壓會變動,在回復之前需要時間(應答時間)。

・應答時間因IC或輸出電容之特性而異(有可以改善之可能性)。

・變動太大時可能會超越電源監視功能之門檻値而重置(reset)。

漣波(ripple)抑制率

圖23

圖23

漣波抑制率是一種以輸出可以去除多少輸入漣波電壓之規格,雖有PSRR或輸入電壓漣波抑制等稱號,然意義皆相同。漣波抑制率大多以dB表示,例如若為60dB,則表輸入之漣波可去除為1/1000。若為100mV之漣波,則為0.1mV。

漣波抑制率若輸入之漣波為大則很重要。最近多為開關式隱壓器,在回避雜訊之應用上亦因效率等觀點而改為使用開關穩壓器。不過,在無法妥協S/N之應用上,為了去除附帶開關穩壓器輸出之開關雜訊(漣波),有時會利用線性穩壓器之漣波抑制功能。雖然確實是有效的方法之一,不過必須詳細檢討輸入之漣波頻率和漣波抑制率之頻率特性。一般來說,漣波抑制性能當頻率變高時會降低。因此,當漣波頻率高時,有時獲得的效果不太好。

圖21

圖21

圖22

圖22

圖21為極普遍的線性穩壓器漣波抑制特性,相對於頻率,抑制率逐漸降低,由於80kH時約8dB左右,故只能去除到1/2.5。反之,開關穩壓器的開關頻率則高達數百kHz到數mega,例如600kHz之開關穩壓器的漣波若有100mV時,則會殘留40mV的漣波。最近有針對頻率特性改良之線性穩壓器問世,圖22例中,600kHz時之漣波抑制率有28dB,故可抑制到1/25,使漣波為4mV。

重點:

・原本的功能為降低整流-平滑後之漣波。

・連接於開關穩壓器之後可降低開關漣波,不過須注意漣波頻率。


線性調節器和開關調節器的基本資料