世平安森美 DC-DC PWM 轉換器 - - POL 設計事項淺談

       從事電源架構之設計人員,可依多種非隔離或隔離負載點 (Point of Load, POL) 轉換器中進行選擇,以提供各式輸入、輸出額定功率、效率等級和特性,等多種外型限制之需求。對於最終產品的效能、可靠性、成本及實體尺寸而言,作出正確的選擇 (而非過低或過高地定義規格需求) 具有深遠的影響,雖然確保適當的輸入及輸出額定功率是較明確的設計之一,但其它必須考慮的屬性,尚包括暫態效能、漣波及雜訊、電磁波相容性 (EMC),以及散熱設計等,皆需綜觀評估來作為設計的考量。 

  • 電壓/電流為轉換器設計之基礎考量
  • POL根據額定電流來作分類
  • 暫態響應的評估難標準化
  • 漣波與雜訊控制至關重要
  • 遠端感測反饋功能有助於穩壓效能
  • 效率與散熱有著息息相關的關連性
  • 封裝上的選擇

 一、電壓/電流為轉換器設計之基礎考量:

       在任何轉換器的最初設計評估皆是依輸入及輸出電壓,與負載電流的需求考量。大多數POL所提供的額定輸入範圍均為2.5V、3.3V、5V和12V,甚至寬範圍到19V、24V及48V,皆顯見於市場需求而問世。由於3.3V和5V電源通常都具有良好的調節,因此±10%的輸入作業範圍對這類應用將綽綽有餘。某些品牌產品亦可支援更寬的輸入電壓範圍以滿足高壓需求的額定輸入。 

在普及的12V、5V、3.3V與19V、24V電壓通常都具有良好的穩壓,而48V至65V輸入的電源則可能受制於中心架構轉換的效能而主宰。在近乎穩壓完成、或所謂「固定比」轉換器的案例中,基本上是沒有輸入線性穩壓的。舉例而言,當正常12Vdc電池備用電源裡的容許變異範圍被納入考量時,對應POL轉換器的輸入作業範圍便須放寬至9.6~14.1V。


 二、POL根據額定電流來作分類:

       典型的POL輸出電壓範圍通常是0.8~5.0V。一般而言,這些都是降壓穩壓器,其輸出電壓小於輸入電壓。除此之外,設計人員還須考慮轉換器在低壓輸入範圍作業時的壓降限制。對於典型0.8V左右的壓降限制而言,2.5V輸出的需求可以透過5V或12V的輸入獲得滿足,但3.3V則無法達成正常運作。 

其它可使設計人員符合各種系統需求的選項,還包括固定或可變輸出電壓。某些POL系列品牌,提供廣泛的分離式輸出電壓,其亦可於±10%的範圍內修整,讓設計人員可須規劃0.6V和24V之間的任何電壓即可。其它系列產品也可在非隔離式架構下的整個範圍內來進行修整調整,如此,只須指定針對各使用點之單一編程並聯電阻來滿足多重電壓需求的單一零件料號即可,因而能簡化設計階段的認證程序,以及物料管理上問題。

現今的POL一般都是依輸出額定電流分類,而非輸出功率。因為電流供應通常是主要限制所在。大多數情形下,只須選擇一個模式,也就是能夠輸送等於或超過最壞情形的穩定狀態負載之輸出額定電流即可。另一方面,高容量負載可能需要能大幅超過穩定狀態需求的峰值電流。舉例而言,輸出去耦電容的效應必須加以考慮,另外因具有大量內部閘極而呈現高電容性之現場可編程閘陣列 (Field Programmable Gate Array, FPGA) 等負載亦然。為確保輸出單調上升以預防假性開機重置動作,避免會降低輸出電壓的電流限制起始位置是必要的。在這類情形下,即須檢查轉換器的電流限制的設定點,以及或以採用突波限制電路的方式來減緩峰值上的需求量。


 三、暫態響應的評估難標準化:

       在一理想的電源轉換器當中,無論負載是如何的變化,皆需要維持穩定的輸出電壓;但是,實際於應用上,輸出端負載的變動電流,皆會影響到輸出電壓的變化,例如在穩態時給予不同的負載,所量測到的輸出電壓變化量,即為負載變化率。在暫態時的負載變化,就必須要考量輸出電壓的突升與突降,以及恢復的時間,這三個指標皆是仰賴轉換器內部的回授電路的補償機制。

        於此,暫態響應是一項重要性與日俱增的效能參數,尤其特徵是為低核心電壓、高電流汲取,以及快速負載切換的微處理器和FPGA負載方面。大多數的POL技術資料文件都根據專有準則來說明此裝置的暫態效能,如此將缺少了標準化的測試條件,對於在不同製造商的POL之間進行有意義的比較時將受其影響;所施加的負載暫態大小,係以最高額定輸出電流的百分比來表示,可能會隨製造商而有不同,而負載步階的開始與結束點也是如此。舉例來說,一套系統對於25%至50%負載步階時之響應,可能會比對0%至25%步階時來得更好。此外,也有些技術資料文件可能只記載正向負載步階,而不會去記載補償性的負向斜率步階。

       再者,通常以每微秒安培數為單位,來表示指定的負載步階旋轉率,也同樣沒有因其標準化。在施加較慢的暫態會讓轉換器和輸出電容有更多的機會響應負載變化,所引用的旋轉率可能跨越三個以上的大小等級,從小如0.5A/us、大至1,200A/us皆有。而某些技術資料文件甚至未提及旋轉率,因而也會妨礙設計人員評估其整體電源暫態響應的性能。在使其輸出電壓,回到穩定狀態輸出電壓百分比範圍內的回復時間也各有所不同,有些技術資料文件記載的是2%,有些則可能引用1.5%或1%的數據表現。 

       因此,設計人員在選用元件時必須進行實際板端的驗證,以確保所選的POL方案是否能支援實際的負載暫態。需留意,設計人員可藉由調整輸出電容來改善暫態響應,前提是需要能夠維持低等效串聯電阻,而所增加輸入電容亦可強化針對更長或更深的暫態步階響應數據。另外,在增加轉換器的相位數也可改善暫態響應,這是靠著增加有效切換頻率來使輸出電感和電容變小而達成的,因為如此將可減少每一組相位的輸出承載電流。 




  四、漣波與雜訊控制至關重要:

       輸出漣波及雜訊會在輸出電壓構成不必要的誤差。這些結果將會來自於轉換的過程當中,其有時與週期性電壓與隨機性標準偏差有關,或單純就輸出雜訊含交流成份。就低電壓直流電而言,輸出雜訊含交流成份的實際工業標準是1-2% (針對大於5V的電壓) 或是低於5V電壓時的50mVp-p。然而,為了縮減成本和尺寸面積,有些零件所包含的濾波數量較少,因此可能顯示比這些數字來得高的極大值;大多數的POL技術資料文件均載有符合發行規格所需的外部去耦電容,及伴隨的低等效串聯電阻數量。在絕大部分的案例中,額外的去耦電容都會減低輸出雜訊。針對這點,在了解最高輸出電容是相當實用的。 

       在反射的漣波電流方面,會顯示由轉換器內切換動作所造成的輸入電流變化量。這種波動現象會因漣波電流本身而產生傳導式電磁干擾 (EMI),以及從輸入導體產生的幅射式電磁干擾。此外,漣波電壓會在輸入電源端上感應產生電源阻抗的結果。一般而言,包含內部輸入電容的POL,可降低反射的漣波電流,但建議設計人員也須注意電路板上的佈線,以及所使用的輸入電容,以將漣波電流減緩效果達到最佳。低的等效串聯電阻將可確保減少漣波電流,例如,具備低等效串聯電阻的大型輸入電容,在開機時輸入至POL電壓開始上升,從而對自身電容充電,導致湧浪電流的上升。


 五、遠端感測反饋功能有助於穩壓效能:

       在輸出和負載間的穩壓中,大多數的POL都能夠提供額定輸出±1%以內的電壓穩壓,這已經比多數應用所需要的都來得好。遠端感測的反饋功能在維持穩壓方面相當重要,在低輸出電壓及高輸出電流的情況下,配電降低會使於負載時對輸出電壓產生深遠的影響,此下降也會隨著負載電流需求而異。一般常見將POL穩壓器靠近負載點配置,應可應付多數配電降低的情形;而遠端感測反饋係屬應付小量剩餘的降低量,並負責系統動態上的監測。


 六、效率與散熱有著息息相關的關連性:

       POL的效率,對散熱管理及設計有著明顯的效果,尤其是與兩個相對高效率之裝置相比較。1%至2%的效率差異,實際上並不會造成太明顯的不同,這點對於如80%和82%的效率來說,大體上是正確的。然而,在與假設為94%及96%的效率相比較時,前者就會比後者多消耗,因為散熱設計必須考慮效率的補數,而非效率值的本身。也就是說,當100%-94%=6%和100%-96%=4%作比較時,效率越接近100%,差異性就越是將會被放大。


  七、封裝上的選擇:

       針對電源架構之設計上,業界先前已出現數種提議,欲將非隔離轉換器的接腳占位標準化。主要參與者包括工業界聯盟,例如負載點聯盟(POLA)、分散式電壓公開標準聯盟(DOSA)以及Z-One聯盟。每個陣營都提出各式各樣的接腳占位來配合輸出電流位準的大小,且製作出較小的系統級封裝(SiP)和表面黏著封裝(SMT),以讓設計人員用來建置設計。而就封裝形式與材料而言,趨勢傾向開放式Power QFN型態,以提供具高效能價值及成本降低之性價比。

  

       總結,除考量額定功率及效能外,設計者還可從廣泛的新增特性功能中選擇,協助系統級整合並於終端產品中支援不同特性面向。因此,共通廣泛的功能特性,還包括:遠端感測反饋、多相並聯平衡電流、輸出電壓同步化、輸出修整補償、輸入/輸出過壓保護、預置偏壓啟動、緩起動設定、狀態指示、電流限制,及過熱保護等等。 

       對於常見非隔離式POL間,尋找有意義成本比較的設計者而言,可鎖定在每安培上的成本為基礎。現今由於較低的輸出電壓和較高的輸出電流儼然已成為趨勢,從而這些面向將可提供較具代表性的評估選擇。

 

參考圖例:onsemi 安森美 POL 產品方案 - - NCP3286




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