何謂開關(guān)穩(wěn)壓器的效率:測量效率之前須事先溫習(xí)開關(guān)穩(wěn)壓器效率的定義或概念。
開關(guān)穩(wěn)壓器的效率一般以%(百分比)表示。雖然以小數(shù)點(diǎn)表示也可以,不過這里以%進(jìn)行話題。效率的公式如下:
如所見,公式并不特別,純粹為“可取得功率”對“已輸入功率”的比。例如,“效率90%”意味已輸入功率的90%可利用作為輸出,10%變成損耗,主要轉(zhuǎn)為熱后消失。開關(guān)穩(wěn)壓器,也就是DC/DC轉(zhuǎn)換器或AC/DC轉(zhuǎn)換器正在進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換,這樣說的話想必比較容易了解。當(dāng)然,進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換的LDO穩(wěn)壓器等線性穩(wěn)壓器的效率也以相同計(jì)算公式及功率算出。
想必沒有必要再提,不過為了慎重起見還是再強(qiáng)調(diào)一次,輸入功率為輸入電壓×輸入電流,而輸出功率為輸出電壓×輸出電流。因此,只要測量即知道效率。
測量及探討
測量本身比較簡單。原則上測量平均功率后再根據(jù)功率進(jìn)行計(jì)算。開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出基本上有紋波,輸出電壓和輸出電流因紋波而產(chǎn)生變動(dòng)。輸入也有存在紋波的案例,不管怎樣,要測量的不是伴隨紋波的峰值而是平均值。測量平均功率并非特別困難,不使用示波器而使用電壓表或電流表的話,其測量值自然為平均值。
其他還需要輸出負(fù)載。由于須測量穩(wěn)定的平均電流,可以利用電子負(fù)載或電阻。
測量雖只使用電壓表和電流表,不過輸出負(fù)載須測量供電電路的最低值、標(biāo)準(zhǔn)值、最大值等數(shù)點(diǎn)以上,視情況還必須繪制成圖表。除了使所預(yù)測的輸入電壓范圍變動(dòng)外,也使周圍溫度變化并加以測量。
測量的同時(shí)如果以示波器一面監(jiān)視,可以知道有無因負(fù)載或連接計(jì)測器的影響而發(fā)生異常。引起振蕩等情況時(shí),以電壓表或電流表測量的平均值不能說是可評估的資料。此外,特別在最大負(fù)載時(shí)必須注意IC或其他部件有無異常發(fā)熱。高溫下的測量須事先確認(rèn)常溫可獲得充分效率,然后在具某程度精度的溫度管理下進(jìn)行測量定。如果超過Tj的最大額定,即使電路或工作沒有問題也會(huì)發(fā)生異常,最糟情況有時(shí)還會(huì)導(dǎo)致破損,必須充分小心注意。
探討已測量的效率首先最好參照技術(shù)規(guī)格刊載的效率圖表。電路或部件由于大多依照技術(shù)規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)例,因此效率曲線基本上也極為接近。在比較意義上,有些方法使用與技術(shù)規(guī)格圖表?xiàng)l件相同的條件進(jìn)行測試。此外,與廠商提供的評估板做比較也是好方法。此時(shí),如果外置部件等不同的話必須更換后測量。
以下為要點(diǎn)總結(jié)。
· 效率以平均功率來計(jì)算(不使用紋波的峰值)。
· 利用電壓表/電流表可獲得平均值。
· 將設(shè)想的輸入范圍、負(fù)載(輸出)電流、周圍溫度和等變動(dòng)因素編入后測量。
· 邊以示波器監(jiān)視邊測量也有效果。
· 以最大負(fù)載測量時(shí)須注意異常的工作或發(fā)熱。
· 評估須參照技術(shù)規(guī)格的效率圖。
效率低于預(yù)測時(shí)
探討結(jié)果如果為“雖無異常工作,但效率出乎意料地低”等結(jié)論時(shí),須找出使效率低下的原因并進(jìn)行調(diào)整。因此,包含經(jīng)驗(yàn)在內(nèi)如果事先知道損耗發(fā)生場所或部件的話,可有效且迅速地對應(yīng)。
損耗雖然會(huì)在電路內(nèi)功耗的所有部分產(chǎn)生,不過主要損耗因素為I2R損耗、開關(guān)損耗及自我消耗電流損耗、遷移損耗、其他損耗。
I2R損耗因內(nèi)置功率晶體管的導(dǎo)通電阻和外置的電感的串聯(lián)電阻而發(fā)生,因此,須確認(rèn)功率晶體管的導(dǎo)通電阻和電感的串聯(lián)電阻是否足夠低。
開關(guān)損耗及自我消耗電流損耗是指IC內(nèi)部的功率晶體管的柵極驅(qū)動(dòng)電流和控制電路必需電流。內(nèi)置功率晶體管型IC由于無法從柵極電荷選擇功率MOSFET,故基本上選擇消耗電流小的IC或不會(huì)增加消耗電流的部件常量。
遷移損耗是因上側(cè)功率MOSFET在遷移中短時(shí)間飽和而發(fā)生。此外,停滯時(shí)間中的導(dǎo)通損耗也為眾所周知的損耗。這些由于已被固定于IC內(nèi)部,因此幾乎任何情況都無法調(diào)整。可調(diào)整的其他損耗有電感的核心損耗、基板線路阻抗等,不過從全體損耗來看只占了極少比率。
像這樣的要點(diǎn)盡管不勝枚舉,然而依賴電源IC的比例還是相當(dāng)高。特別是內(nèi)置功率晶體管型,除了確認(rèn)外置部件外幾乎別無他法。當(dāng)然,電源IC因進(jìn)行高度控制處于優(yōu)化狀態(tài),故基本上可以獲得最佳特性。
反過來說,選擇可以獲得目標(biāo)效率的IC就變得非常重要。
話雖如此,由于完全無計(jì)可施,故以BD9A300MUV為例。
<BD9A300MUV電路效率比預(yù)期低的原因例>
輕負(fù)載時(shí)(10mA以下)
· PGD(電源正常)或EN(使能)上拉至輸入電壓。
· 反饋電阻使用小常量(100Ω以下)而產(chǎn)生無效電流。
重負(fù)載時(shí)(1A以上)
· 使用大DCR的電感。
· 使用大ESR的電容器。
· 因周圍溫度上升、IC或電感自身發(fā)熱而產(chǎn)生DCR増加、輸出晶體管的導(dǎo)通電阻増加、電感的電感值減少、特性劣化。
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開關(guān)穩(wěn)壓器
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關(guān)注
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