開關式穩壓器的評估:效率之測量

以“開關式穩壓器的評估”為題已說了“輸出電壓”、“負載調整率”,“負載響應之檢討,測量方法”、“電感電流之測量”等4項。這裡接著說明第5項”效率之測量”。

何謂開關式穩壓器之效率

測量效率之前須事先溫習開關式穩壓器效率的定義或概念。

開關式穩壓器的效率一般以%(百分比)表示。雖然以小數點表示也可以,不過這裡以%進行話題。效率的公式如下:

如所見,公式並不特別,純粹為”可取得功率”對”已輸入功率”之比,例如,“效率90%”意味已輸入功率之90%可利用做為輸出,10%變成損失,主要轉為熱後消失。開關式穩壓器,也就是DC / DC轉換器或AC / DC轉換器正在進行功率變換,這樣說的話想必比較容易了解。當然,進行電壓變換之LDO穩壓器等線性穩壓器之效率也以相同計算公式及功率算出。

想必沒有必要再提,不過為了慎重起見還是再強調一次,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。很明顯的,只要測量即知道效率。

測量及檢討

測量本身比較簡單。原則上測量平均功率後再根據功率進行計算。開關式穩壓器之輸出基本上有漣波,輸出電壓和輸出電流因漣波而產生變動。輸入也有存在漣波的案例,不管怎樣,要測量的不是伴隨漣波之顛峰値,而是平均値。測量平均功率並非特別困難,不使用示波器而使用電壓計或電流計的話,其測量値自然為平均値。

其他還需要輸出負載。由於須測量穩定之平均電流,可以利用電子負載或電阻。

測量雖只使用電壓計和電流計,不過輸出負載須測量供電電路之最低値,標準値,最大値等數點以上,視情況還必須繪製成圖表。除了使所預測之輸入力電壓範圍變動外,亦使周圍溫度變化並加以測量。

測量的同時若以示波器一面監視,可以知道有無因負載或連接計測器之影響而發生異常。引起振蕩等情況時,以電壓計或電流計測量之平均値不能說是可評估之資料。此外,特別在最大負載時必須注意IC或其他零件有無異常發熱。高溫下之測量須事先確認常溫可獲得充分效率,然後在具某程度精度之溫度管理下進行測量定。若超過Tj之最大額定,即使電路或運作沒有問題也會發生異常,最糟情況有時還會導致破損,必須充分小心注意。

檢討已測量之效率首先最好參照數據表刊載之效率圖表。電路或零件由於大多依照數據表之標準例,因此效率曲線基本上亦極為接近。在比較意義上,有些方法使用與數據表圖表條件相同之條件進行測試。此外,與廠商提供之評估板做比較也是好方法。此時,如果外接零件等不同的話必須更換後測量。

以下為重點整理。

效率低於預測時

檢討結果若為”雖無異常運作,但效率出乎意料地低”等結論時,須找出使效率低下的原因並進行調整,因此,包含經驗在內若事先知道損失發生場所或零件的話,可有效且迅速地對應。

損失雖然會在電路内消耗功率之所有部分產生,不過主要損失因素為我²R損失,開關損失及自我消耗電流損失,遷移損失,其他損失。

我²R損失因內建功率電晶體(功率晶体管)之電阻和外接電感之直列電阻而發生,因此須確認功率電晶體之在電阻和電感之直列電阻是否足夠低。

開關損失及自我消耗電流損失是需要IC內部功率電晶體閘極驅動(门驱动)電流和控制電路之電流。功率電晶體內建型集成电路由於無法從閘極電荷(门)選擇功率MOSFET(功率金氧半場效電晶體),故基本上選擇消耗電流小之IC或不會增加消耗電流之零件定數。

遷移損失係因上側功率MOSFET在遷移中短時間飽和而發生。此外,停止時間(死亡时间)中之導通損失亦為眾所皆知之損失。這些由於已被固定於IC內部,因此幾乎任何情況皆無法調整。可調整之其他損失有電感之核心損失,機板線路阻抗等,不過從全體損失來看只佔了極少比率。

像這樣的重點儘管不勝枚舉,然而仰賴電源IC的比例還是相當高。尤其是功率電晶體內建型,除了確認外接零件外幾乎別無他法。當然,電源集成电路因進行高度控制處於最適合狀態,故基本上可以獲得最佳特性。

反過來說,選擇可以獲得目標效率之IC就變得非常重要。

話雖如此,由於完全無計可施,故以BD9A300MUV為例。

效率測量相關的説明到此為止,而“開關式穩壓器的評估”也就此結束。