優化電源供應器的量測設定

作者: Frederik Dostal


問題:

要如何確定以最有效率的方式測試我的切換開關穩壓器

RAQ Issue: 156

答案:

電路設計者在決定採用一款電源供應器之前,首要需要做的,就是仔細的測試。切換開關穩壓器IC的資料表詳列了許多寶貴的資訊來敘述完整的電源供應器在現實環境中如何運作,以及在實驗室中,透過測試晶片瞭解到的行為。而包括像LTspice®在內的電路模擬也相當實用,可有助於執行電路的最佳化。然而,模擬在硬體測試方面並派不上用場。在這方面,各種寄生效應要不是難以估計,不然就是難以模擬。

電源供應器之後會在實驗室進行徹底的測試。若不是採用自行開發的原型方案,要不就是和大多數廠商一樣,是直接使用電源供應器IC製造商現成的評估板來進行測試。      

 

Figure 1
圖1. 電源供應器運行的連結方式

 

在連結測試電路時,必須考量的有以下幾點。圖1顯示測試設定的簡圖。受測的設計方案必須連接到電源供應器的輸入端,以及連接輸出側的一個負載。這聽起來雖然微不足道,但還是有一些重要細節是必須加以留意的。

盡可能降低線路電感

圖1顯示的設定簡圖,其描述的電路是用來評估一個電力轉換器(power converter)。我們想測試輸電線路的行為,但不希望看到在測試板和實驗室電源供應器、或是輸出端負載之間的連結線路出現不必要的效應。而這方面則應採取兩項重要措施,藉以降低這些連結線路的各種效應。其一,連結線路應越短越好。短線路的線路電感值會小於長線路。第二,電流通道的面積減少,就能進一步降低寄生電感。達成此目標其中一項直接的辦法就是使用絞線(twist the lines)。這種方法的結果,就是電流路徑面積僅取決於線路長度以及標準導線外皮的厚度。圖2顯示連結一個測試電壓轉換器與絞線,藉此降低線路的寄生電感。

 

Figure 2
圖2. 運用短絞線的實際運作設定

 

在採用切換開關穩壓器的電源供應器中,交流電會出現在輸入側以及輸出側。根據電路拓撲,脈衝電流可能發生在輸入側,舉例來說,就例如降壓轉換器(降壓控制器)。另外還須測試的包括有負載下的傳輸啟動行為以及運作。在這些運作狀況下,測試設定中的連結線也必須承載交流電。

輸入側加入本地端能源儲存裝置

若測試電源供應器的目的是想知道對於負載瞬變(load transient)的反應有多快,接受測試的設計方案必須有足夠的電力可用。受測試設計方案輸入側的電力不應成為限制因素。為確保不會出現此種狀況,建議在供電電壓輸入端放置一個大容量電容,如圖1所示,如此將可確保負載瞬變的測試能正確執行。

不過我們必須確定之後電源供應器的運用符合特定的條件。必須徹底瞭解輸入端能源儲存元件的效應,才能正確估計輸入端電容對於電源供應器的影響。

圖1顯示的大容量電容,其他方面亦須加以考量。若須將電壓瞬變貫人電源供應器的輸入端以測試造成的行為,大容量電容則會顯著減緩受測試電路的電壓瞬變。因此,在這些測試中應移除電容。

總結來說,在電壓電源設計的相關工作方面,有些事相當簡單 – 像是將電路連到實驗室的測試平台。連接到受測試電路的輸電線,以及受測試電路輸出端所接的輸電線,必須將它們視為交流電電路,因此這些線路應越短越好,以降低這些接線的寄生電感。電路設計者並不需要額外多費心力就能辦到,而且,這麼做所獲得的測試結果會更接近真正想測試的情境。若能減少測試設定產生的各種影響,測試結果就更有價值。長久下來,有經驗的電源供應器工程師已經開發出許多方法用來優化電路的評測結果,若依循本文介紹的所有技巧,評測就能順利進行。



Author

Frederik Dostal

Frederik Dostal

Frederik Dostal studied microelectronics at the University of Erlangen-Nuremberg, Germany. Starting work in the power management business in 2001, he has been active in various applications positions, including four years in Phoenix, Arizona, working on switch-mode power supplies. He joined Analog Devices in 2009 and works as a Field Application Engineer for Power Management at Analog Devices in München.