《电子技术应用》

如何为低负载系统提供高效率的稳压功能?这些方法有何优点?

2018/9/9 20:19:16

  在早期汽车应用领域中,只有电子时钟属于长时间开启的电子零件。但是多年以来,汽车制造商不断在汽车中加装新的电子装置,并引进了新的技术,因此具有长时间运作的电子系统便不断增加。今时今日,先进的驾驶人信息系统、娱乐信息与电传系统,已成为一般汽车的标准配备,即使是在汽车未发动时,这些系统也必须保启开启状态,以确保这当中的数据不会遗失。

  在此同时,车用电子系统的设计也越趋复杂,而且愈来愈多中低阶的汽车也都开始加装了高阶的电子装置。新一代的汽车必须为驾驶人提供实时的信息,让驾驶人在车内也可以办公。由于汽车的功能愈趋多样化,系统设计工程师面对的困难同样与日俱增。因此,要如何利用稳压系统来提供新的磁滞控制技术,可为低负载系统提供高效率的稳压功能,同时也介绍其它的稳压技术。但这些稳压方法能否为低负载系统提供高效率的稳压功能?这些方法有何优点?这些都是未来必须要面对的问题。

  pIYBAFuN43aAStbMAAN8bcUDJto270.png

  长时间运作下的车用电子系统

  过去有个案例,曾有驾驶人将汽车停放在机场停车场内近两个月之久,后来取车时却发觉汽车电池的储电已完全耗尽。这个问题显示出设计车用电子系统的工程师,必须留意车用电子系统的功耗,特别是负载较低,但必须长时间运作的电子设备,以确保这类系统的累积功耗可以减至最少。

  在目前车用电子市场上,已经有许多电子装置需要配备长时间开启的功能也同样适用,像是利用电池供电的电子装置,就像是一般可携式医疗设备(如:胰岛素输送泵),或配备后备电池的视讯转换盒等,便属于这类必须长期开启的电子设备。不过,上述电子装置都有一个共通点,就是在系统已经处于待机模式下,仍需继续执行一些基本的功能,使得最低负载系统的效率愈高,电池的寿命便愈长,其它的电子装置或系统,也因此可以节省更多能源。

  电子系统的设计日趋复杂,系统设计工程师要面临的挑战也越多。由于备用时间要进一步延长,但是采用全功率作业模式时,系统的耗电量却也就相应大增。因此,这类系统的备用模式及全功率作业模式,一般都会分别从不同的电源系统借以获得些微的电力供给。换言之,即使不同供电系统的电压完全相同,电源管理系统的设计也会有所不同,来满足不同的需求。

  在负载范围较广的系统内 如何发挥更高的效率

  一直以来,具长时效性的5V电源供应系统,大都采用静态电流(Iq)极低的线性低压降稳压器。但为了满足低电压作业的市场要求,有愈来愈电子产品厂商纷纷将产品的工作电压调低,而长时间运作的供电系统,也必须顺应这个潮流。

  许多这方面的供电系统,已经采用3.3V的低电压供应,相信在不久的将来,这类低压供电系统也会越趋普及,甚至还有可能将供电电压降至2.5V或以下。不过,由于整个系统所需的供电量持续上升,使得负载电流很容易就会产生不跌反升的现象。加上低压降稳压器的效率极低,所产生的负载电流越高,功率消耗也就越大,使得低压降稳压器在市场中越来越不受到欢迎。

  这么说好了,无论输出电流有多少,低压稳压器的最高效率都不会超过 27.5%(输入电压:12V、输出电压:3.3V、最高效率:3.3V/12V=27.5%),此公式并未将低压降稳压器的操作电流计算在内,因此若将此一并计算,实际所产生的效率会更低。而目前低静态电流低压降稳压器,大部分都可以因应负载电流的大小,进而调节偏压电流。

  就像是负载电流较低,偏压电流便会降至最低,以确保能保持以上所说的最高效率,如此一来便会减缓稳压速度。假设此时的负载过高,稳压器便会提高偏压电流,才能确保负载瞬时反应达到最佳化的目标。不过,这样的设计方式会使得系统的整体越来越复杂,因为低静态电流供电系统为不同负载状况,提供的总电流便会因此而上升,这是一个无可避免的发展趋势。

  另外,虽然目前市场上已有部分具有低静态电流、高输入电压的低压降稳压器解决方桉,不过大部分的解决方桉的最高输出电流都不超过 100mA。即使这些解决方桉可以提供较高的输出电流,但也会增加系统功耗,使问题变得更为复杂。

  可否改用开关稳压器作为解决方案

  从上面的问题来看,考虑到使用开关式的电源供应解决方桉,对于高输出电流的效率问题就能获得解决。不过,这有办法对应到旧问题,但新的问题又会出现。例如:低负载的设计方式会产生其它问题,因为在汽车电子系统中的电源供应解决方桉中,大部分是采用固定式开关频率的设计方式,才能将电子设备的脉冲宽度调变(PWM)控制设计维持最佳化的状态。而采用PWM设计方式的主要优点,较能符合电磁兼容性(EMC)的规范要求,并在需要时可以按照设定的开关频率,优化所有滤波功能。可惜,PWM模式也有所限制,例如:在低负载的情况下,效率便不大理想。

  另外,由于开关过程会产生损耗电流,加上开关稳压器本身也需消耗电流,因此当实际负载下降到最高负载的10%以下的时候,供电系统的整体效率便会大幅下降,若实际负载下降到最高负载的1%,效率甚至会下降至50%以下。因此,这方面的表现必须经过大幅的改善之后,开关稳压器才能够适何用在备用供电系统上。

  脉冲频率调变(PFM)模式

  另一项,看似可行的解决方桉则是利用脉冲频率调变的控制方法。其主要特点在于,开关频率会因为负载电流而有所改变。换句话说,就是当负载电流越低,开关频率也就越低,如此一来便可将低负载电流所产生的开关损耗降到最低。

  基本上,使用开关稳压器作业时,耗损掉的电流也会降低,因为这类型的稳压器电路设计比较简单,而体积也较小。因此,系统也可以获得更广的负载范围,并发挥更高的效率。但负载若降到接近最低的极限,导致电流低于1mA,效率便未必这么理想。另一缺点是由于开关频率并不固定,电磁兼容性的表现便较难预测,甚至需要投入更多资源改善设计。因此,甚少车用电子系统采用这个解决方桉。

  磁滞控制(Hysteretic Control)

  或许,利用磁滞进行控制也是另一个具有可行性的解决方桉。就像 PFM模式一样,即使在低负载的作业情况下,系统也可调节开关频率,比方说,频率会随着负载的减少而下降。因此,负载越低,效率则越高,这就是应用磁滞控制的最大优点。

  但在,一旦系统处于高负载的运作下,系统的开关频率将会视不同的组件参数及运作状况,而有所改变,例如:输入电压、负载电流、电感值、输出电容器,以及等效串联电阻等,将对开关频率都有很大的影响。而上述参数的数值大部分都会随着温度的变化而变动,若将这些因素加在一起,开关频率及电磁兼容性更难符合汽车工业的严格规范。


继续阅读>>