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2017.01.26 DC/DC

开关稳压器的基础:重要特性-电源特性

开关稳压器的特性和评估方法

针对开关稳压器的基础,继前项的“IC的规格”之后,在这里进一步说明,开关稳压器的重要特性,“电源”的重要特性。

如前所述,目前开关稳压器的设计几乎依赖所使用的电源IC。因此,满足电源的必要规格,选择IC是一大前提。因此,应探讨IC和电源规格间的如果可能需要进行的一些权衡。

例如,电源方面,如果必须过电流保护功能,则选择IC时除了过电流保护外,也有可能兼具过电压保护或过热保护。IC视而定,可以选择将有些功能设为无效,不过大多无法选择。此时,如果没有特别不便的话,增加其功能的变更电源规格或许是不错的选择。相反,虽然也可以不选过电流保护IC,而通过外置电路搭载过电流保护功能的方法,不过考虑到电路设计、增加分品、验证工作等,时间、成本、安装空间的缺点极有可能较多。如果没有功能或成本増加等问题的话,优点高作为电源容许权衡。

针对电源的重要特性,有最低限理解后应探讨如下所示特性。

线性调节
线性调节是指针对输入DC电压的变动的输出电压的变动。以%或输入范围的已决定具体变动值例如12mV等表示。线性调节在电源IC中,特别是线性稳压器中,都存在同名的规格值。意义完全相同。输入范围条件,是指电源的输入以设想电压为基础上设定的,线性调节毕竟是连续输入电压的变动,这意味与非瞬态变动有关的特性。

近年的IC线性调节非常优秀,但电路并非完全依赖IC的性能,探讨使输入电压充分稳定的输入电容器也很必要。

负载调节
负载调节是指针对负载电流的变动的输出电压的变动。与线性调节同样,以%或负载变动间已决定的变动值表示。与线性调节同样,IC本身有此规格,作为电源时,必须着眼于输出配线的电阻成分、电源出口和负载入口电压下降的不同。在电源输出的出口方面,当负载电流变动时会产生依赖于电源电路本身负载调整率的变动,而在负载的入口方面线路阻抗成分的电压下降会被增加,需要大电流的负载电源引脚电压会意外降低等案例不在少数,必须注意。对此,“开关稳压器的评估”项有详细说明。

作为负载的变动之一,瞬态的变动与线性调节同,负载调节是针对非瞬态现象的特性。对于负载瞬态,须另外以负载瞬态响应的特性来思考。

效率
效率是定义为针对输入功率的输出功率的比率(%)。简单来说,就是测量由输入引入的功率(电流×电压)和取自于输出的功率所得到的值。效率的重要性无庸置疑,而抑制损耗则攸关发热的降低。发热不仅会限制取得的输出功率,也需要空间或设备来散热,最后还会变成使电源电路或附加电路可靠度降低的要素,是重量级的探讨事项。

输入/输出纹波电压
纹波电压是指脉流,发生于输入和输出两侧。输出纹波是指开关稳压器上因着开关而存在的纹波电压。有时也会以开关噪声来表示,不过开关噪声似乎大多包含高谐波或峰波等。

就纹波特性而言,有脉高的纹波电压值和频率探讨事项。对于FPGA等使用1V以下的低电源电压设备,有案例显示无法满足纹波电压所要求的电源电压精度。此外,包括高谐波或峰波在内也是让系统S/N低下的原因。

输出纹波可能因输出滤波器减低,不过频率如PFM般变动时则有时更有探讨的必要。

输入纹波是指开关晶体管因着开关大电流输入产生的纹波电压。电路布局设计必须注意,有时电流的开关(开/关)和输入的寄生电感值产生峰波。坦白说,输入电容器极需要连接于IC输入引脚旁边等方法排除寄生电感值。

负载瞬态响应
负载瞬态响应特性是指输出负载电流急剧变动时,输出电压返回设定值前的响应速度。除了考虑输出电容值(电容器)或ESR(等效串联电阻)外,IC本身的响应性能也是重要的因素。电流模式的电源IC可通过相位特性的调整来优化。此外,迟滞(纹波)控制也是负载瞬态响应特性非常好的方式。

容许损耗
电源电路所使用的元件(IC或晶体管等)直接的容许损耗。Tjmax(接合部温度的最大额定)和封装的热电阻计算容许的损耗功率,功率元件(开关晶体管)、内置型的话则算IC的容许损耗。如果从电路来看,近年来功率组件由于大多于基板进行表贴,利用基板作为散热板(当然,大功率电路的话会个别设定散热板),因此焊盘图形布局也有极大关系。总之,散热和容许损耗都必须探讨,确实进行热计算非常重要。

要点总结如下表。

作为电源的重要特性和意义 要点
线性调节
针对输入DC电压的变动的输出电压的变动。以%或输入范围的已决定具体变动值表示。
  • 在输入电压的设想变动范围取得稳定输出
  • 瞬态输入变动另外考虑。
负载调节
针对负载电流变动的输出电压变动。以%或负载变动范围的已决定变动值表示。
  • 可维持必要输出电压精度的负载供给能力
  • 配线的电阻成分带来电源出口和负载入口的电压的不同,特别是要注意大电流负载
效率
针对输入功率的输出功率的比率(%)。
  • 抑制损耗则攸关发热的降低。
  • 发热除了会限制可取得的输出功率外,也需要散热或冷却的空间或设备,最后还会变成让电源电路或附加电路可靠度降低的主因
输入/输出纹波电压
脉流发生于输入和输出两侧。
  • 输出纹波起因于开关的纹波电压。
  • 输出电压精度包含纹波
  • 要注意输入的寄生电感值带来的峰波
负载瞬态响应
输出负载电流急剧变动时,输出电压返回设定值前的响应速度。
  • 输出负载电流急剧变动时,有别于负载调节,会产生短时间的输出变动。
  • 可支持采用响应好的电流模式或迟滞(纹波)控制电源IC
容许损耗
根据封装的热电阻计算容许损耗功率。
  • 必须进行功率设备的热计算
  • 布局设计对散热很重要
  • Ta+自发热不得超过Tj max的原则。
开关稳压器的特性与评估方法