提升電源設計效能　非隔離POL轉換器扮要角

電壓/電流為轉換器設計基本考量  

圖1　EUS34-096為一固定式5:1轉換率隔離DC/DC轉換器，其專為供電中間匯流排架構(IBA)應用之多重後級、非隔離負載點(POL)轉換器而設計。

任何轉換器的最基本設計考量都是輸入、輸出電壓及電流。大多數POL所提供的額定輸入範圍均為3.3V、5V和12V。由於3.3V和5V電源通常都具有良好的調節，因此±10%的輸入作業範圍對這類應用已綽綽有餘。某些產品亦可支援更廣的輸入電壓範圍以滿足3.3V或5.0V的額定輸入。  

5V和3.3V電壓通常都具有良好的穩壓，而12V輸入的電源則可能受中間匯流排轉換器(IBC)的效能主宰。在近乎穩壓完成、或所謂「固定比」轉換器的案例中，基本上是沒有輸入線性穩壓的。舉例而言，當正常48Vdc電池備用電源裡的容許變異範圍被納入考量時，對應POL轉換器的輸入作業範圍便可放寬至9.6～14.1V。  

POL依額定電流分類  

典型的POL輸出電壓範圍通常是0.8～5.0V。一般而言，這些都是降壓穩壓器，其輸出電壓小於輸入電壓。除此之外，設計人員還須考慮轉換器在3V輸入範圍作業時的壓降限制。對於典型1.2V左右的壓降限制而言，2.5V輸出的需求可以透過5V或12V的輸入獲得滿足，但3.3V則無法達成。  

其他可使設計人員符合各種系統需求的選項，還包括固定或可變輸出電壓。某些POL系列產品，提供廣泛的分離式輸出電壓，其亦可於±10%的範圍內修整，讓設計人員只須存取0.75V和5.0V之間的任何電壓即可。其他系列產品也可在0.75～5.0V的整個範圍內進行修整，如此，只須指定針對各使用點之單一編程電阻來滿足多重電壓需求的單一零件料號即可，因而能簡化設計階段的認證程序以及物料管理問題。  

現今的POL一般都是依輸出額定電流分類，而非輸出功率。因為電流供應通常是主要限制所在。大多數情形下，只須選擇一個模式，也就是能夠輸送等於或超過最壞情形的穩定狀態負載之輸出額定電流即可。  

另一方面，高容量負載可能需要能大幅超過穩定狀態需求的峰值電流。舉例而言，輸出去耦電容的效應必須加以考慮，另外，因具有大量內部閘極而呈現高電容性之現場可編程閘陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)等負載亦然。為確保輸出單調上升以預防假性開機重置動作(POR)，避免會降低輸出電壓的電流限制起始位置是必要的。在這類情形下，即須檢查轉換器的電流限制起始點，以及/或以採用突波限制電路的方式來減緩峰值需求量。  

暫態響應評估難標準化  

圖2　VK81系列之可編程單端輸出DC/DC轉換器

暫態響應是一項重要性與日俱增的效能參數，尤其是特徵為低核心電壓、高電流汲取及快速負載切換的微處理器和FPGA負載方面。大多數POL技術資料文件都根據專有的準則來說明此裝置的暫態效能，如此將缺少標準化的測試條件組，對於在不同製造廠商的POL之間進行有意義的比較時會產生影響。施加的負載暫態大小係以最高額定輸出電流的百分比來表示，可能會隨製造廠商而有不同，負載步階(Load Step)的開始和結束點也是如此。  

舉例來說，一個系統對於25～50%負載步階時之響應可能會比對0～25%步階時更好。此外，有些技術資料文件可能只記載正向負載步階，而不會記載補償性的負向斜率步階。  

通常以每微秒安培數為單位表示的指定負載步階旋轉率，也同樣沒有標準化。施加較慢的暫態會讓轉換器和輸出電容有更多的機會響應負載變化；引用的旋轉率可能跨越三個以上的大小等級，從小如0.5A/μs、大至1,200A/μs皆有。某些技術資料文件甚至未提及旋轉率，因而會妨礙設計人員評估其暫態響應。  

輸出電壓回到穩定狀態輸出電壓百分比範圍內的回復時間也各有不同，有些技術資料文件記載的是2%，有些則可能引用1.5%或1%的數據。  

因此設計人員在選用元件時必須進行實際測試，以便確認所選的POL是否支援實際的負載暫態。請注意，設計人員可藉由調整輸出電容來改善暫態響應--前提是需要能維持低等效串聯電阻(Equivalent Series Resistance, ESR)。增加輸入電容亦可強化針對更長及/或更深暫態步階的響應。  

增加轉換器相位數也可改善暫態響應，這是靠著增加有效切換頻率來使輸出電感和電容變小而達成的，因為如此可減少每一相位的電流。  

漣波與雜訊控制至關重要  

輸出漣波和雜訊會在輸出電壓構成不必要的誤差。這些結果來自轉換過程，其有時與週期性電壓及隨機標準差(PARD)有關，或單純就是PARD。  

就低電壓直流電而言，PARD的實際工業標準是1%(針對大於5V的電壓)或是低於5V電壓時的50mVp-p。然而，為了縮減成本和尺寸，有些零件包含的濾波較少，因此可能顯示比這些數字高的極大值。大多數的POL技術資料文件均載有符合發行規格所需的外部去耦電容及伴隨的ESR數量。在絕大部分的案例中，額外的去耦電容都會減低輸出雜訊。針對這點，了解最高輸出電容是相當實用的。  

反射的漣波電流會顯示由轉換器切換動作所造成的輸入電流變化。這種波動現象會因漣波電流本身而產生傳導式電磁干擾(EMI)，以及從輸入導體產生的幅射式電磁干擾。此外，漣波電壓會在輸入電源端上感應產生電源阻抗的結果。一般而言，包含內部輸入電容的POL，可降低反射的漣波電流，但建議設計人員也須注意電路板布線，以及使用輸入電容，以將漣波電流減緩效果達到最高。低ESR將可確保減少漣波電流，例如，具備低ESR的大型輸入電容，在開機時輸入軌至POL電壓開始上升，從而對自身電容充電，導致湧浪電流上升。  

遠端感測功能有助穩壓效能  

在輸出和負載間的穩壓中，大多數POL都能提供額定輸出±1%以內的電壓穩壓，這已經比大多數應用所需要的都來得好。遠端感測功能在維持穩壓方面相當重要，在低輸出電壓及高輸出電流的情形下，配電降低會於負載時對輸出電壓產生更深遠的效果，此下降也會隨著負載電流需求而異。只要將POL穩壓器靠近負載點配置，應可應付大多數配電降低的情形；遠端感測可應付小量剩餘的降低量，並負責系統動態。  

效率與散熱息息相關  

POL的效率對散熱管理及設計有明顯的效果，尤其是與兩個相對高效率之裝置相比。1～2%的效率差異，實際上並不會造成太明顯的不同，這點對於如80%和82%的效率來說，大體上是正確的。然而，在與假設為94%及96%的效率相較時，前者就會比後者多消耗50%，因為散熱設計必須考慮效率的補數，而非效率本身。也就是說，當100%-94%=6%和100%-96%=4%作比較時，效率越接近100%，差異就越會被放大。  

封裝選擇  

圖3　LSN2-T/22-D12非隔離負載點DC/DC轉換器

針對分散式電源設計，業界已經出現數種提議，欲將非隔離轉換器的接腳占位標準化。主要參與者包括工業界聯盟，例如負載點聯盟(POLA)、分散式電壓公開標準聯盟(DOSA)以及Z-One聯盟。每個陣營都提出各式各樣的接腳占位來配合輸出電流位準的大小，且已製作出較小的系統級封裝(SiP)和表面黏著封裝(SMT)，讓設計人員用來建置DPA。  

就封裝形式與材料來說，趨勢傾向開放式基板型架構，以提供具價值的成本降低效果。對於需要更強固封裝的應用，含散熱密封材質的五邊鋼製機盒則是標準規範。  

除考量額定功率及效能外，設計者還可從廣泛的新增特性中選擇，協助系統級整合及於終端產品中支援不同特性功能。共通的可用特性實例，包括：遠端感測、遠端開/關、輸出電壓同步化、輸出修整、輸入/輸出過壓保護、預置偏壓開機、狀態指示器、電流限制及過熱保護等。  

對於正在非隔離式POL間尋找有意義成本比較的設計者，可鎖定在每安培成本。由於較低輸出電壓及較高電流儼然成為趨勢，這個方向將提供最具代表性的評估方式。  

(本文作者任職於Murata Power Solutions)