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如何為低負載系統提供高效率的穩壓功能?這些方法有何優點?

2018-09-09
關鍵詞: 穩壓器 汽車電子

  在早期汽車應用領域中,只有電子時鐘屬于長時間開啟的電子零件。但是多年以來,汽車制造商不斷在汽車中加裝新的電子裝置,并引進了新的技術,因此具有長時間運作的電子系統便不斷增加。今時今日,先進的駕駛人信息系統、娛樂信息與電傳系統,已成為一般汽車的標準配備,即使是在汽車未發動時,這些系統也必須保啟開啟狀態,以確保這當中的數據不會遺失。

  在此同時,車用電子系統的設計也越趨復雜,而且愈來愈多中低階的汽車也都開始加裝了高階的電子裝置。新一代的汽車必須為駕駛人提供實時的信息,讓駕駛人在車內也可以辦公。由于汽車的功能愈趨多樣化,系統設計工程師面對的困難同樣與日俱增。因此,要如何利用穩壓系統來提供新的磁滯控制技術,可為低負載系統提供高效率的穩壓功能,同時也介紹其它的穩壓技術。但這些穩壓方法能否為低負載系統提供高效率的穩壓功能?這些方法有何優點?這些都是未來必須要面對的問題。

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  長時間運作下的車用電子系統

  過去有個案例,曾有駕駛人將汽車停放在機場停車場內近兩個月之久,后來取車時卻發覺汽車電池的儲電已完全耗盡。這個問題顯示出設計車用電子系統的工程師,必須留意車用電子系統的功耗,特別是負載較低,但必須長時間運作的電子設備,以確保這類系統的累積功耗可以減至最少。

  在目前車用電子市場上,已經有許多電子裝置需要配備長時間開啟的功能也同樣適用,像是利用電池供電的電子裝置,就像是一般可攜式醫療設備(如:胰島素輸送泵),或配備后備電池的視訊轉換盒等,便屬于這類必須長期開啟的電子設備。不過,上述電子裝置都有一個共通點,就是在系統已經處于待機模式下,仍需繼續執行一些基本的功能,使得最低負載系統的效率愈高,電池的壽命便愈長,其它的電子裝置或系統,也因此可以節省更多能源。

  電子系統的設計日趨復雜,系統設計工程師要面臨的挑戰也越多。由于備用時間要進一步延長,但是采用全功率作業模式時,系統的耗電量卻也就相應大增。因此,這類系統的備用模式及全功率作業模式,一般都會分別從不同的電源系統借以獲得些微的電力供給。換言之,即使不同供電系統的電壓完全相同,電源管理系統的設計也會有所不同,來滿足不同的需求。

  在負載范圍較廣的系統內 如何發揮更高的效率

  一直以來,具長時效性的5V電源供應系統,大都采用靜態電流(Iq)極低的線性低壓降穩壓器。但為了滿足低電壓作業的市場要求,有愈來愈電子產品廠商紛紛將產品的工作電壓調低,而長時間運作的供電系統,也必須順應這個潮流。

  許多這方面的供電系統,已經采用3.3V的低電壓供應,相信在不久的將來,這類低壓供電系統也會越趨普及,甚至還有可能將供電電壓降至2.5V或以下。不過,由于整個系統所需的供電量持續上升,使得負載電流很容易就會產生不跌反升的現象。加上低壓降穩壓器的效率極低,所產生的負載電流越高,功率消耗也就越大,使得低壓降穩壓器在市場中越來越不受到歡迎。

  這么說好了,無論輸出電流有多少,低壓穩壓器的最高效率都不會超過 27.5%(輸入電壓:12V、輸出電壓:3.3V、最高效率:3.3V/12V=27.5%),此公式并未將低壓降穩壓器的操作電流計算在內,因此若將此一并計算,實際所產生的效率會更低。而目前低靜態電流低壓降穩壓器,大部分都可以因應負載電流的大小,進而調節偏壓電流。

  就像是負載電流較低,偏壓電流便會降至最低,以確保能保持以上所說的最高效率,如此一來便會減緩穩壓速度。假設此時的負載過高,穩壓器便會提高偏壓電流,才能確保負載瞬時反應達到最佳化的目標。不過,這樣的設計方式會使得系統的整體越來越復雜,因為低靜態電流供電系統為不同負載狀況,提供的總電流便會因此而上升,這是一個無可避免的發展趨勢。

  另外,雖然目前市場上已有部分具有低靜態電流、高輸入電壓的低壓降穩壓器解決方桉,不過大部分的解決方桉的最高輸出電流都不超過 100mA。即使這些解決方桉可以提供較高的輸出電流,但也會增加系統功耗,使問題變得更為復雜。

  可否改用開關穩壓器作為解決方案

  從上面的問題來看,考慮到使用開關式的電源供應解決方桉,對于高輸出電流的效率問題就能獲得解決。不過,這有辦法對應到舊問題,但新的問題又會出現。例如:低負載的設計方式會產生其它問題,因為在汽車電子系統中的電源供應解決方桉中,大部分是采用固定式開關頻率的設計方式,才能將電子設備的脈沖寬度調變(PWM)控制設計維持最佳化的狀態。而采用PWM設計方式的主要優點,較能符合電磁兼容性(EMC)的規范要求,并在需要時可以按照設定的開關頻率,優化所有濾波功能。可惜,PWM模式也有所限制,例如:在低負載的情況下,效率便不大理想。

  另外,由于開關過程會產生損耗電流,加上開關穩壓器本身也需消耗電流,因此當實際負載下降到最高負載的10%以下的時候,供電系統的整體效率便會大幅下降,若實際負載下降到最高負載的1%,效率甚至會下降至50%以下。因此,這方面的表現必須經過大幅的改善之后,開關穩壓器才能夠適何用在備用供電系統上。

  脈沖頻率調變(PFM)模式

  另一項,看似可行的解決方桉則是利用脈沖頻率調變的控制方法。其主要特點在于,開關頻率會因為負載電流而有所改變。換句話說,就是當負載電流越低,開關頻率也就越低,如此一來便可將低負載電流所產生的開關損耗降到最低。

  基本上,使用開關穩壓器作業時,耗損掉的電流也會降低,因為這類型的穩壓器電路設計比較簡單,而體積也較小。因此,系統也可以獲得更廣的負載范圍,并發揮更高的效率。但負載若降到接近最低的極限,導致電流低于1mA,效率便未必這么理想。另一缺點是由于開關頻率并不固定,電磁兼容性的表現便較難預測,甚至需要投入更多資源改善設計。因此,甚少車用電子系統采用這個解決方桉。

  磁滯控制(Hysteretic Control)

  或許,利用磁滯進行控制也是另一個具有可行性的解決方桉。就像 PFM模式一樣,即使在低負載的作業情況下,系統也可調節開關頻率,比方說,頻率會隨著負載的減少而下降。因此,負載越低,效率則越高,這就是應用磁滯控制的最大優點。

  但在,一旦系統處于高負載的運作下,系統的開關頻率將會視不同的組件參數及運作狀況,而有所改變,例如:輸入電壓、負載電流、電感值、輸出電容器,以及等效串聯電阻等,將對開關頻率都有很大的影響。而上述參數的數值大部分都會隨著溫度的變化而變動,若將這些因素加在一起,開關頻率及電磁兼容性更難符合汽車工業的嚴格規范。


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