掌握开关稳压器的5大基本知识（下）

・PWM控制（脉冲宽度调制）

PWM是最普通的电压控制方法。在恒定周期下，将开关设为ON，从输入截取符合输出所需功率的部分。因此，ON和OFF的比率、占空比会随必要的输出功率而变化。

由于频率恒定，故有可预测即将产生的开关噪声、滤波器处理容易等优点。其缺点是，由于频率恒定，重负载时和轻负载时的开关次数都相同，自我消耗电流不变，故轻负载时开关损耗是主要损耗而效率降低。

●频率恒定根据占空比调整输出电压

• 频率恒定，易于过滤噪声
• 频率恒定，轻负载时开关损耗效率显著恶化

・PFM控制（脉冲频率调制）

PFM有固定ON时间型和固定OFF时间型。以固定ON时间型为例（下图参考），ON时间恒定OFF时间变化。换句话说，接下来一直到ON之前的时间会改变。当负载变大时，将会随着负载增加时间内的ON次数。也就是说，重负载时频率会变高，轻负载时频率会变低。

其优点是，轻负载时无需增加功率，开关频率变低，开关次数减少，开关损耗减少，故轻负载时也可维持高效率。其缺点是，频率会变化，开关相关噪声不稳定且难以滤波。噪声难消除。此外，频率一进入可听带20kHz时有可能会发生声响等对音响设备的S/N造成影响。从这个意义来说，PWM比较容易操作。

● ON（或OFF）时间设为恒定，调整OFF（或ON）时间

• 轻负载时会降频率工作，故开关损耗会减少而维持效率
• 频率不稳定，故噪声滤波困难而有进入听觉范围的可能性

利用哪一方，必须在理解各特性后权衡，不过有些IC为了能够利用双方的优点，于稳定工作时采PWM工作，于轻负载时开关成PFM来维持效率。

●PWM和PFM的效率特性示意图

• PWM轻负载时恒定周期开关，故效率低下。
• PFM轻负载时会降频率工作，故开关损耗减少而维持效率。
• 有些IC于稳定工作时采PWM工作，于轻负载时开关成PFM来维持效率。

重要特性－IC的规格

针对开关稳压器的基础，确认开关稳压器的重要特性。本项将从“IC规格”的角度进行说明，而下一项则以“电源”的角度进行说明。

目前开关稳压器的设计几乎依赖所使用的电源IC并未言过其实。因此，理解电源IC的规格和意义非常重要。

开关稳压器用IC的技术规格的表有记载多项参数，并有显示规格值。这里仅就其中的输入电压范围、输出电压范围、输出电流、开关频率、工作温度范围等基本重要项目说明。

输入电压范围

输入电压范围是指IC可工作的输入电压范围。视IC的规格而定，最大5V或40V等种类，因此必须选择符合所使用电路的输入电源规格。此外，不只是最大电压，有许多IC也规定了可工作的最小电压。如果是降压电源，则为可工作比已设定输出电压稍高电压的最低电压。再低下去的话，有时IC会停止工作或产生异常工作。为了防止这种情况，有些称为UVLO（Under Voltage Lock Out）保护功能的IC。

除了稳定的输入电压外，还必须详细探讨施加浪涌等瞬态电压的可能性。视IC而定，有些将稳定电压和瞬时电压分开来规定。

与最大额定输入电压的区别在于最大额定是可彻底施加的电压，不问有无工作。

从高电压转换为低电压时，有时会承受降压比的限制，未必在所有范围都可使用。

输出电压范围

输出侧可设定的电压范围。输出电压固定型则不在此限。降压转换器中，最小输出电压一般无法设定成比内部基准电压低的电压。最大输出电压输入电压与电压损耗的差值。

就输出电压值而言，对IC的基准电压精度、输出电压设定用的电阻器的精度有影响。

输出电流

可输出的电流值。有只能保证最小值的情况和也能保证最大值的情况。电流值依赖输出段开关式晶体管的能力和热。一般说来，需要大电流时，外置输出段开关式晶体管较为有利。

必须配合输出所需的功率余量。有时会因热而导致破坏。此外，瞬时负载电流流动时，有必要确认输出电压处于十分稳定状态或于必要时间内维持稳定。

规格值的标示有输出电流（连续电流）和开关电流等表现。输出电流（连续电流）时，可连续供给其电流。开关电流时，是持续开关时的电流，所以不是可连续供给电流，而是开关电流扣除某百分比的可连续供给电流的值。

开关频率

开关频率，PWM时为已设定的固定频率。PFM频率则随条件而变动。通常频变高时，可以使用小数值的输出电容器和电感，尺寸也会变小，不过效率低下。需要权衡效率和尺寸。

开关稳压器会附带开关高谐波、开关噪声。虽可通过滤波器来降低，不过无线电或音响电路等对噪声敏感的电路有可能S/N会低下。

工作温度范围

可工作的温度范围，用周围温度Ta或接合部温度Tj来规定。必须在考虑欲使用设备的使用环境或工作保证后进行选择。

以Ta保证时，未必其Ta所有范围都可使用。由于会发热，故必须探讨周围温度和主要负载电流以免超过Tjmax。热的问题攸关可靠度降低或事故，因此非常重要。

要点总结如下表。

开关稳压器IC的规格和意义	要点
输入电压范围
可工作的输入电压范围。不只是最大电压，有时也有规定了可工作的最小电压。	* 须覆盖输入电源的条件且有余量* 也要考虑输入电源的变动（电池输入等）或瞬态电压* 也探讨降压比
输出电压范围
输出侧可设定的电压范围。	* 针对设定电压具有余量(考虑损耗部分）* 通常无法设定成比内部基准电压低的电压。
输出电流
可输出电流。依赖输出段开关式晶体管的能力和热。	* 有余量（降额）* 也考虑瞬态电流* 连续输出电流和开关电流的区别
开关频率
开关的频率。PWM时为已设定的固定频率。PFM频率则随条件而变动。	* 效率和尺寸的权衡* 考虑开关噪声、高谐波对使用电路的影响
工作温度范围
可工作的温度范围。规定周围温度或接合部温度。	* 考虑应用领域的要求（民生、车载等）* 热相关考察非常重要* Ta＋自发热不得超过Tj max。

重要特性－电源特性

针对开关稳压器的基础，继前项的“IC的规格”之后，在这里进一步说明，开关稳压器的重要特性，“电源”的重要特性。

如前所述，目前开关稳压器的设计几乎依赖所使用的电源IC。因此，满足电源的必要规格，选择IC是一大前提。因此，应探讨IC和电源规格间的如果可能需要进行的一些权衡。

例如，电源方面，如果必须过电流保护功能，则选择IC时除了过电流保护外，也有可能兼具过电压保护或过热保护。IC视而定，可以选择将有些功能设为无效，不过大多无法选择。此时，如果没有特别不便的话，增加其功能的变更电源规格或许是不错的选择。相反，虽然也可以不选过电流保护IC，而通过外置电路搭载过电流保护功能的方法，不过考虑到电路设计、增加分品、验证工作等，时间、成本、安装空间的缺点极有可能较多。如果没有功能或成本増加等问题的话，优点高作为电源容许权衡。

针对电源的重要特性，有最低限理解后应探讨如下所示特性。

线性调节

线性调节是指针对输入DC电压的变动的输出电压的变动。以%或输入范围的已决定具体变动值例如12mV等表示。线性调节在电源IC中，特别是线性稳压器中，都存在同名的规格值。意义完全相同。输入范围条件，是指电源的输入以设想电压为基础上设定的，线性调节毕竟是连续输入电压的变动，这意味与非瞬态变动有关的特性。

近年的IC线性调节非常优秀，但电路并非完全依赖IC的性能，探讨使输入电压充分稳定的输入电容器也很必要。

负载调节

负载调节是指针对负载电流的变动的输出电压的变动。与线性调节同样，以%或负载变动间已决定的变动值表示。与线性调节同样，IC本身有此规格，作为电源时，必须着眼于输出配线的电阻成分、电源出口和负载入口电压下降的不同。在电源输出的出口方面，当负载电流变动时会产生依赖于电源电路本身负载调整率的变动，而在负载的入口方面线路阻抗成分的电压下降会被增加，需要大电流的负载电源引脚电压会意外降低等案例不在少数，必须注意。对此，“开关稳压器的评估”项有详细说明。

作为负载的变动之一，瞬态的变动与线性调节同，负载调节是针对非瞬态现象的特性。对于负载瞬态，须另外以负载瞬态响应的特性来思考。

效率

效率是定义为针对输入功率的输出功率的比率（%）。简单来说，就是测量由输入引入的功率（电流×电压）和取自于输出的功率所得到的值。效率的重要性无庸置疑，而抑制损耗则攸关发热的降低。发热不仅会限制取得的输出功率，也需要空间或设备来散热，最后还会变成使电源电路或附加电路可靠度降低的要素，是重量级的探讨事项。

输入/输出纹波电压

纹波电压是指脉流，发生于输入和输出两侧。输出纹波是指开关稳压器上因着开关而存在的纹波电压。有时也会以开关噪声来表示，不过开关噪声似乎大多包含高谐波或峰波等。

就纹波特性而言，有脉高的纹波电压值和频率探讨事项。对于FPGA等使用1V以下的低电源电压设备，有案例显示无法满足纹波电压所要求的电源电压精度。此外，包括高谐波或峰波在内也是让系统S/N低下的原因。

输出纹波可能因输出滤波器减低，不过频率如PFM般变动时则有时更有探讨的必要。

输入纹波是指开关晶体管因着开关大电流输入产生的纹波电压。电路布局设计必须注意，有时电流的开关（开/关）和输入的寄生电感值产生峰波。坦白说，输入电容器极需要连接于IC输入引脚旁边等方法排除寄生电感值。

负载瞬态响应

负载瞬态响应特性是指输出负载电流急剧变动时，输出电压返回设定值前的响应速度。除了考虑输出电容值（电容器）或ESR（等效串联电阻）外，IC本身的响应性能也是重要的因素。电流模式的电源IC可通过相位特性的调整来优化。此外，迟滞（纹波）控制也是负载瞬态响应特性非常好的方式。

容许损耗

电源电路所使用的元件（IC或晶体管等）直接的容许损耗。Tjmax（接合部温度的最大额定）和封装的热电阻计算容许的损耗功率，功率元件（开关晶体管）、内置型的话则算IC的容许损耗。如果从电路来看，近年来功率组件由于大多于基板进行表贴，利用基板作为散热板（当然，大功率电路的话会个别设定散热板），因此焊盘图形布局也有极大关系。总之，散热和容许损耗都必须探讨，确实进行热计算非常重要。

要点总结如下表。

作为电源的重要特性和意义	要点
线性调节
针对输入DC电压的变动的输出电压的变动。以%或输入范围的已决定具体变动值表示。	* 在输入电压的设想变动范围取得稳定输出* 瞬态输入变动另外考虑。
负载调节
针对负载电流变动的输出电压变动。以%或负载变动范围的已决定变动值表示。	* 可维持必要输出电压精度的负载供给能力* 配线的电阻成分带来电源出口和负载入口的电压的不同，特别是要注意大电流负载
效率
针对输入功率的输出功率的比率（%）。	* 抑制损耗则攸关发热的降低。* 发热除了会限制可取得的输出功率外，也需要散热或冷却的空间或设备，最后还会变成让电源电路或附加电路可靠度降低的主因
输入/输出纹波电压
脉流发生于输入和输出两侧。	* 输出纹波起因于开关的纹波电压。* 输出电压精度包含纹波* 要注意输入的寄生电感值带来的峰波
负载瞬态响应
输出负载电流急剧变动时，输出电压返回设定值前的响应速度。	* 输出负载电流急剧变动时，有别于负载调节，会产生短时间的输出变动。* 可支持采用响应好的电流模式或迟滞（纹波）控制电源IC
容许损耗
根据封装的热电阻计算容许损耗功率。	* 必须进行功率设备的热计算* 布局设计对散热很重要* Ta＋自发热不得超过Tj max的原则。