为低负载、长时间运行系统提供高效率的稳压功能的电源解决方案

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为低负载、长时间运行系统提供高效率的稳压功能的电源解决方案

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。

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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。

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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
( f6 a7 h9 k" y9 ^8 p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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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磁滞控制（Hysteretic Control）
8 ]6 C2 d8 Y( S8 e  v2 w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。

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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。

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