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开关稳压器的特性和评估方法

开关稳压器的评估:负载调节

“开关稳压器的评估”第2项为“负载调节”,本项要说明其概念、如何测量、评估。

・负载调节的概念

负载调节不仅是在电源,也是在电源IC中常有的参数项目。意指,电源输出电压对于负载电流(输出电流)的变动会有多少变动,以%百分比或10MV等实际变动值来表示。比较理想的说法是,电源输出电压因趋于稳定,即使负载电流变动,电压也可以保持稳定。不过,既然输出阻抗或线路(配线)电阻存在,变化无论如何都会产生。

负载调节以电源的输出引脚进行测量和以连接于电源输出的负载,也就是被供电IC等,电源引脚进行测量其主旨不同。以电源输出引脚观察的负载调节为其电源本身的负载调节,可以说是电源特性。以负载设备的电源引脚观察的负载调节则为电源特性加上从电源输出引脚到负载电源引脚的线路电阻导致的电压下降。

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如上图,负载设备中电源引脚的电压纯粹根据欧姆定律。例如,线路电阻为0.1Ω时,如果取1A的负载电流,则线路电阻分的电压下降为0.1V,通常的5V/3.3V电源所求得的5%精度就没有问题,不过如果是FPGA等1V左右的低电压电源且需要类似2%之高精度时则NG。此外,如果电流増加,即使5V/3.3V也会Out。因此,检查负载调节时确认负载设备电源引脚电压是否位于要求精度内非常重要。

既然如此,或许应思考将线路电阻缩小的问题,只不过再怎么缩小也无法使其为零。也就是说,线路电阻导致的电压下降原则上会发生,负载电流増加的话将如计算所示达到NG状态。不过,要避免这个情况,可利用以“远程感应”手法。

稳定化电源是指通过反馈环路控制输出电压,即使负载电流变动也可使输出电压维持恒定。以电源IC来说,在FB引脚、电源模块中将输出反馈于感应引脚等引脚。这里的重点在于能否感应(反馈)哪一点的电压。下图为1.8V输出的电源,在感应电源输出引脚的电压时,感应负载设备电源引脚时的负载设备电源引脚对负载电流的电压。线路电阻设为0.1Ω。

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感应电源输出引脚的电压时(红色箭头)因为线路电阻几乎没有条件,电源输出引脚会维持1.8V,不过负载设备电源引脚会产生负载电流×线路电阻分的电压下降。由于没有产生问题,因此尽可能这样做。

感应负载设备电源引脚的电压时(蓝色箭头)因为可以控制负载设备电源引脚的电压维持1.8V,故不论负载电流与否都可维持已设定的1.8V。此时,电源输出引脚的电压非1.8V,而是被附加1.8V+(负载电流×线路电阻),电压下降部分的电压。此负载端电源输出电压称为远程感应。特别是在大电流、低电压的条件下更需要远程感应。

・负载调节和负载瞬态响应

下面2个波形图是负载电流急剧变化时输出电压的变化。这里要注意的是,此种评估方法可以观察负载调节和负载瞬态响应双方。本项所说明的负载调节是指波形的恒定电压部分的电压值,有必要分开来思考,对策也不同。

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左方的波形为没有进行远程感应的情况,上方轨迹为输出电压,下方为输出电流。如果负载电流大致从零瞬间增加时,由于无法瞬间对应故电压会剎那间下降,不过短时间会追随而变成恒定电压。此为负载瞬态响应特性。负载调节稳定的电压时可以知道电压下降的发生。右方波形有进行远程感应。恒定电压部分几乎看不到差异。

以下为负载调节评估要点的总结。

负载调节的评估要点

  • 评估项目
    -针对负载电流变动的输出电压变动 → 已变动的电压是否符合要求精度?
       ※也必须确认针对负载电流变动的纹波电压变化、波形的异常
  • 评估方法
    -以电压表测量输出电压 → 测量负载装置电源引脚的电压,确认负载装置的电源电压是否充分?
    -以示波器观察输出电压、波形
  • 条件设定
    -负载电流:需要可变型的负载装置
    -温度:也可简易的点式加热/冷却

关键要点:

・负载调节以针对负载电流变动的输出电压变动比或电压值来表示。

・测量I电源I电路的输出引脚和测量负载设备的电源引脚会有所不同。

・负载设备的电源引脚电压的变动并不合乎理想,故进行远程感应。