原创 开关稳压器的五项要素的评估与测量

输出电压

开关稳压器的工作是产生稳定化的输出电压，以便使其作为负载（其他设备）的电源。因此，输出特性的评估理所当然就成为主要事项。主要输出特性有电压、电流、瞬态响应、噪声等，这些都有相互关系。本项首先就输出电压进行说明。

一般来说，输出电压的评估重要如下：

具体来说，就是边改变条件边以示波器观察输出电压。视状况而定，虽然有时频谱分析仪较为有效，不过即使只有示波器也几乎可以全部确认。这里的关键在于以示波器观察。示波器原本并非可以正确测量电压的工具，开关稳压器的输出电压含有纹波或噪声等各种成分，将测定值平均后显示的电压表等无法确认。

电压精度将确认纹波电压的最低值和最大值是否进入负载装置要求的精度内。FPGA等最近高性能设备要求达±2%以下非常严格的电源电压精度。加上电源电压大多低至1V左右，实际的容许电压仅仅一点点。必须包含纹波电压的纹波电压的峰值而非平均值才能符合。

须确认纹波电压是否为设计时以下列公式设定的电压、纹波波形有无异常。

当然，纹波电压即使依照设计，倘如果结果无法符合负载设备的精度要求则必须重新评估。同样的，也须观察输出是否包含异常峰波或高谐波。

这些特性的状态会随负载或温度起变化，因此务必加入变动要因后进行观察。

评估需要样本来判断输出电压及波形应该会如何。多数情况下，其电源IC技术规格有刊载标准且理想的波形（参照下图），此在“电源IC技术规格的解读方法”也有提及。

此外，IC厂商评估板时可以与其做比较。可以在相同的测定器或环境下进行评估，现实上是个好方法。

从处理高速波形的观点来看，以示波器观察必须注意几点。以下照片和图表是即使相同基板也无法以探针连接法观察正确的波形。

左方的照片和波形图系以示波器的探针连接测试引脚后以夹钳进行GND，输出波形可以看见多数高频峰波。另一方面，右方的照片和图表则以专用连接器连接探针，这里看不到峰波。原本的输出电压为右方的波形，左方的波形因探针接地线等的影响使原本不存在的峰波产生

由上例可知，在评估开关电源时需要具备处理及测量高频率的技术。

“开关稳压器的评估”第2项为“负载调节”，本项要说明其概念、如何测量、评估。

・负载调节的概念

负载调节不仅是在电源，也是在电源IC中常有的参数项目。意指，电源输出电压对于负载电流（输出电流）的变动会有多少变动，以%百分比或10MV等实际变动值来表示。比较理想的说法是，电源输出电压因趋于稳定，即使负载电流变动，电压也可以保持稳定。不过，既然输出阻抗或线路（配线）电阻存在，变化无论如何都会产生。

负载调节以电源的输出引脚进行测量和以连接于电源输出的负载，也就是被供电IC等，电源引脚进行测量其主旨不同。以电源输出引脚观察的负载调节为其电源本身的负载调节，可以说是电源特性。以负载设备的电源引脚观察的负载调节则为电源特性加上从电源输出引脚到负载电源引脚的线路电阻导致的电压下降。

如上图，负载设备中电源引脚的电压纯粹根据欧姆定律。例如，线路电阻为0.1Ω时，如果取1A的负载电流，则线路电阻分的电压下降为0.1V，通常的5V/3.3V电源所求得的5%精度就没有问题，不过如果是FPGA等1V左右的低电压电源且需要类似2%之高精度时则NG。此外，如果电流増加，即使5V/3.3V也会Out。因此，检查负载调节时确认负载设备电源引脚电压是否位于要求精度内非常重要。

既然如此，或许应思考将线路电阻缩小的问题，只不过再怎么缩小也无法使其为零。也就是说，线路电阻导致的电压下降原则上会发生，负载电流増加的话将如计算所示达到NG状态。不过，要避免这个情况，可利用以“远程感应”手法。

稳定化电源是指通过反馈环路控制输出电压，即使负载电流变动也可使输出电压维持恒定。以电源IC来说，在FB引脚、电源模块中将输出反馈于感应引脚等引脚。这里的重点在于能否感应（反馈）哪一点的电压。下图为1.8V输出的电源，在感应电源输出引脚的电压时，感应负载设备电源引脚时的负载设备电源引脚对负载电流的电压。线路电阻设为0.1Ω。

感应电源输出引脚的电压时（红色箭头）因为线路电阻几乎没有条件，电源输出引脚会维持1.8V，不过负载设备电源引脚会产生负载电流×线路电阻分的电压下降。由于没有产生问题，因此尽可能这样做。

感应负载设备电源引脚的电压时（蓝色箭头）因为可以控制负载设备电源引脚的电压维持1.8V，故不论负载电流与否都可维持已设定的1.8V。此时，电源输出引脚的电压非1.8V，而是被附加1.8V＋（负载电流×线路电阻），电压下降部分的电压。此负载端电源输出电压称为远程感应。特别是在大电流、低电压的条件下更需要远程感应。

・负载调节和负载瞬态响应

下面2个波形图是负载电流急剧变化时输出电压的变化。这里要注意的是，此种评估方法可以观察负载调节和负载瞬态响应双方。本项所说明的负载调节是指波形的恒定电压部分的电压值，有必要分开来思考，对策也不同。

左方的波形为没有进行远程感应的情况，上方轨迹为输出电压，下方为输出电流。如果负载电流大致从零瞬间增加时，由于无法瞬间对应故电压会剎那间下降，不过短时间会追随而变成恒定电压。此为负载瞬态响应特性。负载调节稳定的电压时可以知道电压下降的发生。右方波形有进行远程感应。恒定电压部分几乎看不到差异。

以下为负载调节评估要点的总结。

“开关稳压器的评估”第4项为“电感电流的测量”，说明电感电流的测量方法和评估要点。

那么，现在进入主题。首先，须确认电感从事什么样的工作。简单来说，电阻器不论AC或DC，总之无关频率，都会限制电流在稳定程度，而电感如果电压相同的话频率会变高致使电流难以流动，DC方面可以想成没有电阻成分。与电容器做比较的话，由于电容器不通过DC而通过AC，故也可以说反向工作。电感如电阻般工作的原理为电磁感应。此外，通过自我感应来产生电动势。此效果的大小以电感值表示。

降压型的DC/DC转换器中，上图所示的电感基本上扮演着平滑化的角色。上图电感被输出晶体管的ON/OFF方波电压输入时，流动的电流会因电感而可以梯度至电流输出成为三角波。以此方式，方波形成平滑的三角波，这是基本。

・电感电流和输出纹波电压

为了测量电感电流并判断是否适当，特以数学式来表示电感电流和输出纹波电压。（左图中，因图出处的关系而使用“线圈”一词标示。当然，同时也是电感的意思。）

这些算式是设计DC/DC转换器时必定会出现的公式。如果能想象与各项的关系，想必评估就容易多了。

以⊿IL表示的电感电流的三角波的峰值，当电感值L变大时会变小。此外，即便开关频率变高时也会变小，以⊿VREP表示的纹波电压由⊿IL及电容器ESR支配。并以此为基础评估已测量的电感电流。

・电感电流的测量方法

电感电流使用电流探针以示波器观察波形。电流探针由于必须夹住电流路径，故必须像照片般露出夹钳用线。

电感（线圈）的饱和电流应该选择大于IOUTMAX加⊿IL/2的值。请与实测值进行比较。

如果饱和电流的容许值不充分，则电感将会饱和，电流会急剧流动，故三角波的斜度会如二次曲线般歪斜。最糟情况有时超出预测的电流会流入开关式晶体管导致损坏。这是重要的检查点。

电感的工作有时难以理解，相信势必有必会感到棘手。尽管如此，对DC/DC转换器而言却是不可或缺的部件，因此最好以实测反复进行评估等来加深理解。