原作者：英飛凌 汽車電子 顏榮宏 英飛凌汽車電子生態圈
本文作者 顏榮宏
圖1. Camera/Radar 應用方塊圖
汽車應用中，隨著電子系統逐漸增大的情況下，電源的需求也逐漸的增加（如圖1）。例如，以往一般晶片的電流需求大多在100mA以下，但依目前的需求而言，500mA已成為主流，也因此在穩壓器的輸出電流及整體系統功耗的考慮下，開關式穩壓器無疑是最佳的選擇。在這次的介紹中，將從最簡單的方式開始來介紹一下開關式穩壓器的控制原理。
何謂PWM (Pulse width modulation) 脈波寬度調變？
開關式穩壓器是藉由調整能量的導通時間(duty cycle)來提供輸出能量的需求。簡單來說就是當要輸出功率較大時，則開關導通的時間也會跟著增加，反之則會減少導通時間來降低功率的輸出。
1.電壓模式脈波寬度調變
在圖2中，Vosc為一固定的振盪頻率通常由電源IC產生，V_FB為輸出電壓的反饋，在波形中可以看到PWM的寬度隨著輸出反饋的電壓再和振盪的鋸齒波作比較後所得出。在這張圖形中也有另一指標，那就是讓一般入門開始學開關式穩壓器的人知道一個脈波寬度是從哪裡開始(switch on)然後在什麼條件關閉(switch off)。
圖2.電壓模式脈波寬度調變
2.電流模式脈波寬度調變
圖3中,Vclock為一固定的振盪頻率脈衝，通常由電源IC內部產生。V_RI為切換電流的取樣值所轉換出的電壓值。在波形中可以看到PWM的寬度隨著輸出反饋的電壓再和切換電流的採樣值作比較後所得出。在電流模式脈波寬度調變中，（switch on）則是固定觸發的脈衝，再以電流的採樣點來作為關閉開關（switch off）。
圖3.電流模式脈波寬度調變
以非隔離降壓穩壓器為例講解何謂連續模式，非連續模式和臨界模式設計
圖4中，上圖為Switch on (Q1導通,Q2斷開)電流方向,下圖為Switch off (Q1斷開Q2導通)。電流對電感關係的公式1.中可以得知當電壓固定時,電流的大小會隨著時間及電感的大小作變化。
圖4.降壓穩壓器
1.連續模式
在圖5的最上波形為上臂導通時流過Q1的電流，我們可以看到波形從上升至I_PP,在導通周期結束後，電感的能量開始釋放至輸出端，所以可以看電流會由下臂開關Q2迴路下降。從輸入及輸出的周期來看，整個周期並沒有中斷的時間(上下開關皆為開路)。這樣的開關模式即為連續式模式。
圖5.連續模式
2.非連續模式
在圖6的最上層波形為上臂開關導通時流過Q1的感電流，我們可以看到波形從零上升至I_PP,在導通周期結束後，電感的能量開始釋放至輸出端，所以可以看電流會由下臂開關Q2迴路下降並回到零點。從輸入及輸出的周期來看，上下開關導通的周期出現中斷的時間(上下開關皆為開路)並且電感的電流皆會回復至零點。這樣的開關模式即為非連續式模式。
圖6. 非連續模式
3.臨界模式
臨界電流模式從字面上不難理解其恰好界於非連續模式及連續模式的臨界點，意即每個周期的結束及開始都會在電感電流為電點的時候。
綜合以上所述，我們可以從周期D=Vout/Vin 得知其Ton(dt)的時間，再由公式1求得其臨界電感值。於是電感值大於臨界電感時，當負載大於其臨界設定時，其電流便會進入所謂的連續模式，反之在負載時小於臨界設定時，便是所謂的非連續模式。
希望在這則的介紹中可以讓大家在開關式穩壓器的工作原理有較多的了解。接下來，再以實際的設計步驟讓大家可以更詳細的了解開關式穩壓器的設計重點及外圍參數的選擇。
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