掌握開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的5大基本知識(shí)（下）

?PWM控制（脈沖寬度調(diào)制）

PWM是最普通的電壓控制方法。在恒定周期下，將開(kāi)關(guān)設(shè)為ON，從輸入截取符合輸出所需功率的部分。因此，ON和OFF的比率、占空比會(huì)隨必要的輸出功率而變化。

由于頻率恒定，故有可預(yù)測(cè)即將產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)噪聲、濾波器處理容易等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是，由于頻率恒定，重負(fù)載時(shí)和輕負(fù)載時(shí)的開(kāi)關(guān)次數(shù)都相同，自我消耗電流不變，故輕負(fù)載時(shí)開(kāi)關(guān)損耗是主要損耗而效率降低。

●頻率恒定根據(jù)占空比調(diào)整輸出電壓

• 頻率恒定，易于過(guò)濾噪聲
• 頻率恒定，輕負(fù)載時(shí)開(kāi)關(guān)損耗效率顯著惡化

?PFM控制（脈沖頻率調(diào)制）

PFM有固定ON時(shí)間型和固定OFF時(shí)間型。以固定ON時(shí)間型為例（下圖參考），ON時(shí)間恒定OFF時(shí)間變化。換句話說(shuō)，接下來(lái)一直到ON之前的時(shí)間會(huì)改變。當(dāng)負(fù)載變大時(shí)，將會(huì)隨著負(fù)載增加時(shí)間內(nèi)的ON次數(shù)。也就是說(shuō)，重負(fù)載時(shí)頻率會(huì)變高，輕負(fù)載時(shí)頻率會(huì)變低。

其優(yōu)點(diǎn)是，輕負(fù)載時(shí)無(wú)需增加功率，開(kāi)關(guān)頻率變低，開(kāi)關(guān)次數(shù)減少，開(kāi)關(guān)損耗減少，故輕負(fù)載時(shí)也可維持高效率。其缺點(diǎn)是，頻率會(huì)變化，開(kāi)關(guān)相關(guān)噪聲不穩(wěn)定且難以濾波。噪聲難消除。此外，頻率一進(jìn)入可聽(tīng)?zhēng)?0kHz時(shí)有可能會(huì)發(fā)生聲響等對(duì)音響設(shè)備的S/N造成影響。從這個(gè)意義來(lái)說(shuō)，PWM比較容易操作。

● ON（或OFF）時(shí)間設(shè)為恒定，調(diào)整OFF（或ON）時(shí)間

• 輕負(fù)載時(shí)會(huì)降頻率工作，故開(kāi)關(guān)損耗會(huì)減少而維持效率
• 頻率不穩(wěn)定，故噪聲濾波困難而有進(jìn)入聽(tīng)覺(jué)范圍的可能性

利用哪一方，必須在理解各特性后權(quán)衡，不過(guò)有些IC為了能夠利用雙方的優(yōu)點(diǎn)，于穩(wěn)定工作時(shí)采PWM工作，于輕負(fù)載時(shí)開(kāi)關(guān)成PFM來(lái)維持效率。

●PWM和PFM的效率特性示意圖

• PWM輕負(fù)載時(shí)恒定周期開(kāi)關(guān)，故效率低下。
• PFM輕負(fù)載時(shí)會(huì)降頻率工作，故開(kāi)關(guān)損耗減少而維持效率。
• 有些IC于穩(wěn)定工作時(shí)采PWM工作，于輕負(fù)載時(shí)開(kāi)關(guān)成PFM來(lái)維持效率。

重要特性－IC的規(guī)格

針對(duì)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的基礎(chǔ)，確認(rèn)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的重要特性。本項(xiàng)將從“IC規(guī)格”的角度進(jìn)行說(shuō)明，而下一項(xiàng)則以“電源”的角度進(jìn)行說(shuō)明。

目前開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)幾乎依賴所使用的電源IC并未言過(guò)其實(shí)。因此，理解電源IC的規(guī)格和意義非常重要。

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器用IC的技術(shù)規(guī)格的表有記載多項(xiàng)參數(shù)，并有顯示規(guī)格值。這里僅就其中的輸入電壓范圍、輸出電壓范圍、輸出電流、開(kāi)關(guān)頻率、工作溫度范圍等基本重要項(xiàng)目說(shuō)明。

輸入電壓范圍

輸入電壓范圍是指IC可工作的輸入電壓范圍。視IC的規(guī)格而定，最大5V或40V等種類，因此必須選擇符合所使用電路的輸入電源規(guī)格。此外，不只是最大電壓，有許多IC也規(guī)定了可工作的最小電壓。如果是降壓電源，則為可工作比已設(shè)定輸出電壓稍高電壓的最低電壓。再低下去的話，有時(shí)IC會(huì)停止工作或產(chǎn)生異常工作。為了防止這種情況，有些稱為UVLO（Under Voltage Lock Out）保護(hù)功能的IC。

除了穩(wěn)定的輸入電壓外，還必須詳細(xì)探討施加浪涌等瞬態(tài)電壓的可能性。視IC而定，有些將穩(wěn)定電壓和瞬時(shí)電壓分開(kāi)來(lái)規(guī)定。

與最大額定輸入電壓的區(qū)別在于最大額定是可徹底施加的電壓，不問(wèn)有無(wú)工作。

從高電壓轉(zhuǎn)換為低電壓時(shí)，有時(shí)會(huì)承受降壓比的限制，未必在所有范圍都可使用。

輸出電壓范圍

輸出側(cè)可設(shè)定的電壓范圍。輸出電壓固定型則不在此限。降壓轉(zhuǎn)換器中，最小輸出電壓一般無(wú)法設(shè)定成比內(nèi)部基準(zhǔn)電壓低的電壓。最大輸出電壓輸入電壓與電壓損耗的差值。

就輸出電壓值而言，對(duì)IC的基準(zhǔn)電壓精度、輸出電壓設(shè)定用的電阻器的精度有影響。

輸出電流

可輸出的電流值。有只能保證最小值的情況和也能保證最大值的情況。電流值依賴輸出段開(kāi)關(guān)式晶體管的能力和熱。一般說(shuō)來(lái)，需要大電流時(shí)，外置輸出段開(kāi)關(guān)式晶體管較為有利。

必須配合輸出所需的功率余量。有時(shí)會(huì)因熱而導(dǎo)致破壞。此外，瞬時(shí)負(fù)載電流流動(dòng)時(shí)，有必要確認(rèn)輸出電壓處于十分穩(wěn)定狀態(tài)或于必要時(shí)間內(nèi)維持穩(wěn)定。

規(guī)格值的標(biāo)示有輸出電流（連續(xù)電流）和開(kāi)關(guān)電流等表現(xiàn)。輸出電流（連續(xù)電流）時(shí)，可連續(xù)供給其電流。開(kāi)關(guān)電流時(shí)，是持續(xù)開(kāi)關(guān)時(shí)的電流，所以不是可連續(xù)供給電流，而是開(kāi)關(guān)電流扣除某百分比的可連續(xù)供給電流的值。

開(kāi)關(guān)頻率

開(kāi)關(guān)頻率，PWM時(shí)為已設(shè)定的固定頻率。PFM頻率則隨條件而變動(dòng)。通常頻變高時(shí)，可以使用小數(shù)值的輸出電容器和電感，尺寸也會(huì)變小，不過(guò)效率低下。需要權(quán)衡效率和尺寸。

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器會(huì)附帶開(kāi)關(guān)高諧波、開(kāi)關(guān)噪聲。雖可通過(guò)濾波器來(lái)降低，不過(guò)無(wú)線電或音響電路等對(duì)噪聲敏感的電路有可能S/N會(huì)低下。

工作溫度范圍

可工作的溫度范圍，用周圍溫度Ta或接合部溫度Tj來(lái)規(guī)定。必須在考慮欲使用設(shè)備的使用環(huán)境或工作保證后進(jìn)行選擇。

以Ta保證時(shí)，未必其Ta所有范圍都可使用。由于會(huì)發(fā)熱，故必須探討周圍溫度和主要負(fù)載電流以免超過(guò)Tjmax。熱的問(wèn)題攸關(guān)可靠度降低或事故，因此非常重要。

要點(diǎn)總結(jié)如下表。

重要特性－電源特性

針對(duì)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的基礎(chǔ)，繼前項(xiàng)的“IC的規(guī)格”之后，在這里進(jìn)一步說(shuō)明，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的重要特性，“電源”的重要特性。

如前所述，目前開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)幾乎依賴所使用的電源IC。因此，滿足電源的必要規(guī)格，選擇IC是一大前提。因此，應(yīng)探討IC和電源規(guī)格間的如果可能需要進(jìn)行的一些權(quán)衡。

例如，電源方面，如果必須過(guò)電流保護(hù)功能，則選擇IC時(shí)除了過(guò)電流保護(hù)外，也有可能兼具過(guò)電壓保護(hù)或過(guò)熱保護(hù)。IC視而定，可以選擇將有些功能設(shè)為無(wú)效，不過(guò)大多無(wú)法選擇。此時(shí)，如果沒(méi)有特別不便的話，增加其功能的變更電源規(guī)格或許是不錯(cuò)的選擇。相反，雖然也可以不選過(guò)電流保護(hù)IC，而通過(guò)外置電路搭載過(guò)電流保護(hù)功能的方法，不過(guò)考慮到電路設(shè)計(jì)、增加分品、驗(yàn)證工作等，時(shí)間、成本、安裝空間的缺點(diǎn)極有可能較多。如果沒(méi)有功能或成本増加等問(wèn)題的話，優(yōu)點(diǎn)高作為電源容許權(quán)衡。

針對(duì)電源的重要特性，有最低限理解后應(yīng)探討如下所示特性。

線性調(diào)節(jié)

線性調(diào)節(jié)是指針對(duì)輸入DC電壓的變動(dòng)的輸出電壓的變動(dòng)。以%或輸入范圍的已決定具體變動(dòng)值例如12mV等表示。線性調(diào)節(jié)在電源IC中，特別是線性穩(wěn)壓器中，都存在同名的規(guī)格值。意義完全相同。輸入范圍條件，是指電源的輸入以設(shè)想電壓為基礎(chǔ)上設(shè)定的，線性調(diào)節(jié)畢竟是連續(xù)輸入電壓的變動(dòng)，這意味與非瞬態(tài)變動(dòng)有關(guān)的特性。

近年的IC線性調(diào)節(jié)非常優(yōu)秀，但電路并非完全依賴IC的性能，探討使輸入電壓充分穩(wěn)定的輸入電容器也很必要。

負(fù)載調(diào)節(jié)

負(fù)載調(diào)節(jié)是指針對(duì)負(fù)載電流的變動(dòng)的輸出電壓的變動(dòng)。與線性調(diào)節(jié)同樣，以%或負(fù)載變動(dòng)間已決定的變動(dòng)值表示。與線性調(diào)節(jié)同樣，IC本身有此規(guī)格，作為電源時(shí)，必須著眼于輸出配線的電阻成分、電源出口和負(fù)載入口電壓下降的不同。在電源輸出的出口方面，當(dāng)負(fù)載電流變動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生依賴于電源電路本身負(fù)載調(diào)整率的變動(dòng)，而在負(fù)載的入口方面線路阻抗成分的電壓下降會(huì)被增加，需要大電流的負(fù)載電源引腳電壓會(huì)意外降低等案例不在少數(shù)，必須注意。對(duì)此，“開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的評(píng)估”項(xiàng)有詳細(xì)說(shuō)明。

作為負(fù)載的變動(dòng)之一，瞬態(tài)的變動(dòng)與線性調(diào)節(jié)同，負(fù)載調(diào)節(jié)是針對(duì)非瞬態(tài)現(xiàn)象的特性。對(duì)于負(fù)載瞬態(tài)，須另外以負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)的特性來(lái)思考。

效率

效率是定義為針對(duì)輸入功率的輸出功率的比率（%）。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是測(cè)量由輸入引入的功率（電流×電壓）和取自于輸出的功率所得到的值。效率的重要性無(wú)庸置疑，而抑制損耗則攸關(guān)發(fā)熱的降低。發(fā)熱不僅會(huì)限制取得的輸出功率，也需要空間或設(shè)備來(lái)散熱，最后還會(huì)變成使電源電路或附加電路可靠度降低的要素，是重量級(jí)的探討事項(xiàng)。

輸入/輸出紋波電壓

紋波電壓是指脈流，發(fā)生于輸入和輸出兩側(cè)。輸出紋波是指開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器上因著開(kāi)關(guān)而存在的紋波電壓。有時(shí)也會(huì)以開(kāi)關(guān)噪聲來(lái)表示，不過(guò)開(kāi)關(guān)噪聲似乎大多包含高諧波或峰波等。

就紋波特性而言，有脈高的紋波電壓值和頻率探討事項(xiàng)。對(duì)于FPGA等使用1V以下的低電源電壓設(shè)備，有案例顯示無(wú)法滿足紋波電壓所要求的電源電壓精度。此外，包括高諧波或峰波在內(nèi)也是讓系統(tǒng)S/N低下的原因。

輸出紋波可能因輸出濾波器減低，不過(guò)頻率如PFM般變動(dòng)時(shí)則有時(shí)更有探討的必要。

輸入紋波是指開(kāi)關(guān)晶體管因著開(kāi)關(guān)大電流輸入產(chǎn)生的紋波電壓。電路布局設(shè)計(jì)必須注意，有時(shí)電流的開(kāi)關(guān)（開(kāi)/關(guān)）和輸入的寄生電感值產(chǎn)生峰波。坦白說(shuō)，輸入電容器極需要連接于IC輸入引腳旁邊等方法排除寄生電感值。

負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)特性是指輸出負(fù)載電流急劇變動(dòng)時(shí)，輸出電壓返回設(shè)定值前的響應(yīng)速度。除了考慮輸出電容值（電容器）或ESR（等效串聯(lián)電阻）外，IC本身的響應(yīng)性能也是重要的因素。電流模式的電源IC可通過(guò)相位特性的調(diào)整來(lái)優(yōu)化。此外，遲滯（紋波）控制也是負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)特性非常好的方式。

容許損耗

電源電路所使用的元件（IC或晶體管等）直接的容許損耗。Tjmax（接合部溫度的最大額定）和封裝的熱電阻計(jì)算容許的損耗功率，功率元件（開(kāi)關(guān)晶體管）、內(nèi)置型的話則算IC的容許損耗。如果從電路來(lái)看，近年來(lái)功率組件由于大多于基板進(jìn)行表貼，利用基板作為散熱板（當(dāng)然，大功率電路的話會(huì)個(gè)別設(shè)定散熱板），因此焊盤圖形布局也有極大關(guān)系?？傊?，散熱和容許損耗都必須探討，確實(shí)進(jìn)行熱計(jì)算非常重要。

要點(diǎn)總結(jié)如下表。