Power electronics

作者:Minepower 伏特羊 I. Buck Converter基本架構 降壓變換器(Buck Converter)，是一種降壓的直流/直流轉換器，其特點是輸出（負載）端的電壓低於輸入（電源）端，輸出電流大於輸入電流。 Buck Converter(非同步型)其架構如圖1所示，是由一個功率開關元件和一個續流二極體構成一個截波電路將輸入電壓變成一個矩形波，再通過一個低通 LC 濾波器濾除高頻開關漣波(ripple)和噪聲(noise)以後生成直流電壓供給負載使用的電路。 圖1.非同步降壓轉換器(Nonsynchronous Buck Converter)基本架構 這些元件在電源轉換和開關電源中發揮著重要的作用： 1. 功率開關元件 （Power MOSFET）：這些元件用於 開關電流 ，可以在MOSFET控制端施加電壓信號(PWM訊號)將電流通過或切斷， 使輸出電壓達到穩定的狀態。 在開關電源中，它們通常用來控制電源的開關狀態，實現能量的轉換。 2. 二極體 ： 二極體通常用於開關電源中的 反向保護，它們確保電流只能在特定方向流動 。 假設電路中沒有二極體 ( Diode ) ，則當功率開關截止時，儲存在電感上的能量就沒有路徑可以回流， 這將導致電感的正極和負極之間的電壓迅速上升， 以致於會產生很大的電壓突波( Voltage spike )， 這樣的高電壓突波可能損壞電路中的元件 。 3. 電感器 ： 電感在開關電源中充當能量儲存器 (防止電流瞬間變化) 。當電源處於導通狀態時，電感儲存電能；當電源處於關閉狀態時，儲存的能量釋放出來，這有助於維持穩定的輸出電壓。 4. 電容器 ：電容器用於存儲電荷 (防止電壓瞬間變化) 。在開關電源中，它們可以用來平滑化電壓波動，提供穩定的電壓輸出。電容器的充放電特性有助於維持穩定的電源輸出。 其中電容器和電感器，雖然各自單獨具有濾波效果，但是通過將2個元件構成低通LC濾波器，就可獲得更大的濾波效果。 *電容器具有隔直流通交流，且交流頻率越高越容易通過的特性 *電感器具有隔交流通直流，且交流頻率越高越不易通過的特性 串聯連接的電感以隔斷高頻雜訊，用並聯連接的電容器來使高頻雜訊旁路的方式發揮作用。 II. Buck Converter 開關元件導通/截止狀態及輸入/輸出關係式推導 1. 導通階段：  如...

作者:Minepower 伏特羊 I. 什麼是PSRR 當使用交流電源轉接器將插座提供的60 Hz交流電源轉換為直流電源時，直流電源中可能包含頻率為60 Hz的小電壓波動。電源線上可能出現各種頻率的電壓變化，這些附加在電源線上的微小電壓波動有時可能會影響電源管理IC提供穩定電壓，這種在電源線上定期出現的微小波動被稱為漣波或漣波雜訊。 線性穩壓器的主要特點之一是它能夠在漣波雜訊(Ripple) 到達輸出端之前減少附加在輸入電壓中的漣波雜訊，如圖1所示。 這種功能通常表示為漣波抑制（RR）。有時，這也被稱為電源抑制比或電源漣波抑制（PSRR）。 圖1. LDO的漣波抑制(來源:nisshinbo) PSRR 是 電源漣波抑制比 ( Power Supply Ripple Rejection) 的縮寫，是用來評估一個電壓穩壓器（比如LDO）對不同頻率的輸入電源 漣波 的抵抗程度。這種性能指標表示了LDO在處理來自輸入電源的波動和雜訊時的效能。 II. PSRR的定義 (1)在各家IC廠商的產品規格書中，PSRR通常被定義為輸出電壓和輸入電壓漣波幅度的比值，如RichTech定義的PSRR為負值，可由公式1所表示，式中為 輸出電壓漣波幅度 / 輸入電壓漣波幅度 。 ⇒ -20dB：衰減到1/10 ⇒ - 40dB：衰減到1/100 ⇒ - 80dB：衰減到1/1000 因此，較低的PSRR值對應著更好的性能，PSRR值越低，說明LDO越能有效地濾除這些不穩定因素，確保穩定的輸出電壓。 圖2.PSRR對應頻率曲線(來源: RichTech) 在圖2中呈現的是PSRR與頻率之間的相互關係，可由圖2中分析出下述3點: 1.當頻率低於10kHz時，該LDO擁有高的開環電壓增益，能夠對漣波形成高效的抑制。 2.隨著頻率的增加，由於LDO的頻寬受限，環路增益降低，導致PSRR曲線上升。如果更高的LDO負載電流會將負荷極點推向上方，因此在較高負載條件下，單位增益頻率也相應提高。 在這個例子中，10mA負載時的LDO單位增益頻率為300kHz，而在300mA負載時，它提高到1MHz，這可以在圖2中的曲線尖峰觀察到。 3.當超過這個單位增益頻率時，LDO無法進一步消除漣波，這種非常高頻率出處漣波衰減主要通過LDO輸出電容和內部寄生電容達成。 (2)而有些IC廠商則是將PSRR定義為正值，如T...

作者:Minepower 伏特羊 I. 什麼是LDO？ What is LDO? 理解LDO概念前，首先了解線性穩壓器的分類，由前一篇文章介紹，我們知道線性穩壓器可分為串聯型線性穩壓器和並聯型線性穩壓器，是兩種常見的線性穩壓器結構。 1. 串聯型線性穩壓器： 結構： 串聯型線性穩壓器在輸入和負載之間插入一個電晶體作為可變電阻器，也稱為控制元件，可以調整電路的效應以保持輸出電壓穩定。 原理：當輸入電壓變動時，控制元件（電晶體）的電阻值會相應地調整，以維持輸出電壓在一個穩定的水平。 優點：簡單、穩定，特別適用於對輸出電壓穩定性要求較高的應用。 2. 並聯型線性穩壓器： 結構：並聯型線性穩壓器插入一個與負載並聯的電晶體。這個電晶體也被用來調整電路的效應，以達到穩定輸出電壓的目的。 原理：與串聯型相似，通過調整電晶體的電阻值，使輸出電壓保持在穩定水平。 應用：在某些特殊應用中可能使用，但相對較少見。 總結來說，串聯型線性穩壓器是更常見的一種結構，因其穩定性和簡單性而被廣泛應用。這些穩壓器通常用於需要較高穩定性和較低雜訊的應用，如精密儀器、通信設備等。在本文當中，將只關注串聯型線性穩壓器，因為這種類型比並聯型更常用，後者的用途相當有限，而LDO即是屬於串聯型線性穩壓器類別。 低壓差線性穩壓器（LDO，Low Drop-Out Regulator） 是一種常見的電壓穩壓器，這種穩壓器的特點是，它們能夠在輸入電壓與輸出電壓之間保持較小的電壓差，通常僅有幾百毫伏或更小，這使得它們非常適合要求輸出電壓非常穩定的應用環境。 線性穩壓器內部包含了一個電晶體，為了 確保這個電晶體可以穩定運作 ， 需要保持輸入和輸出之間的最低電壓差 。 *這個最低電壓差是必需的，因為當輸入和輸出之間的電壓差低於這個最小值時，電晶體將無法正常工作，這將導致輸出電壓降低，無法達到所需的穩定輸出。 圖1.LDO架構圖 以下是LDO穩壓器的主要特點和應用： 1. 低輸出電壓差 ： LDO穩壓器的一個主要優勢是能夠實現非常低的輸出電壓差。這意味著即使輸入電壓略高於輸出電壓，它們也能提供穩定的輸出。 2. 低輸出雜訊 ： LDO穩壓器通常具有較低的輸出雜訊，這對於對電路噪聲敏感的應用非常重要，如某些類比電路或射頻應用。 3. 低輸出電流 ： 它們適用於功率消耗不大的應用，因為它們的效率相對較低，特別是當輸入電壓遠高於輸...

作者:Minepower 伏特羊 I. 什麼是直流(DC/DC)轉換? 直流-直流轉換（DC-to-DC Conversion ）是將直流（DC）電源 轉換為不同電壓的直流（或近似直流）電源 ，此轉換過程是透過一種電路或機電設備進行轉換，此一種電路或機電設備即為直流轉換器。 這些轉換器的功率範圍可以從非常小（例如小型電池應用）到非常大（例如高壓電源轉換）。 如圖1所示，圖中示意為某種設備連接市電110V，經由內部前級的AC/DC轉換器將交流電轉換至直流電，而經由轉換後之直流電壓可能不適合用於設備內部電壓使用，因此可透過DC/DC轉換器升壓/降壓至內部設備元件適合使用之電壓。 圖1.直流(DC/DC)轉換應用示意圖 II. 直流轉換器類別 圖2.直流/直流轉換類別分類 (1) 線性穩壓器 它的主要功能是將 不穩定或變動的輸入電壓轉換為穩定的輸出電壓 。這對於許多電子設備和電路來說非常重要，因為它確保了穩定的電源供應，無論輸入電壓如何波動。 穩壓器的主要特點包括： 1. 穩定輸出電壓：穩壓器能夠在輸入電壓變動時保持輸出電壓穩定。這對於需要穩定電源的電子設備非常重要，例如電腦、手機充電器等。 2. 輸入電壓範圍：穩壓器通常能夠應對一定範圍內的輸入電壓變化。 3. 過載和過熱保護： 一些穩壓器具有內置的過載保護和過熱保護功能，以確保在不利條件下它們不會受損。 4. 不同類型的穩壓器： 有不同種類的穩壓器，包括線性穩壓器和開關穩壓器，它們在性能和效率方面有所不同，可以根據具體應用的需求進行選擇。 電壓穩壓器是一種關鍵的電子元件，用於確保電子設備和電路獲得穩定的電源供應。這 有助於防止由於輸入電壓變化而引起的損壞或性能問題。 (2) 開關式穩壓器 開關式穩壓器（Switching Regulator）是一種電子設備，用於將不穩定或變動的輸入電壓轉換為穩定的輸出電壓。它們通常比線性穩壓器更高效，因為它們通過開關元件（如晶體管或MOSFET）以高頻率開關來調整輸出電壓，然後通過濾波電感和電容等元件將輸出電壓平穩化。 開關式穩壓器的一些主要特點和優勢： 1. 高效率：開關式穩壓器通常比線性穩壓器更高效，因為它們在調整電壓時不會將多餘的能量轉換為熱量。這使得它們在高功率應用中更具優勢。 2. 輸入電壓範圍寬：它們通常能夠應對較寬範圍的輸入電壓，這使得它們適用於不同類型的電源，包括電池、...