No Minimum Load Required 的 DC/DC converter

DC/DC converter 應用在電源上好用歸好用,使用上還是有不少需要注意的地方,像最高轉換效率(Efficiency)、溫度/效率特性、負載/效率特性等。不管怎樣,相較於 switching regulator 或更高相位的設計,這些只是小 case 而己。 

ssk24.png
DC/DC converter 的功能示意圖(SSK24 from Asia Electronics Ind.)

轉換效率自然是 DC/DC converter 選擇的首要指標,效率高,廢熱(註1)就少,在瓦數低的時候甚至不需要做散熱(Heat sink)。

(註1:這邊「廢熱」指的是 Power dissipiation,譯成廢熱似乎較好理解)

然而如果把廢熱一併考慮,溫度/效率的特性便很重要了。因為廢熱會讓環境溫度升高,一般來說,超過額定的操作溫度後,轉換效率便會大幅下降。效率低會產生更多廢熱,系統很快就失效。

r78
溫度/效率特性曲線(R78XX from RECOM)

除了轉換效率與溫度/效率特性外,我認為負載/效率特性才是功率控制上的大魔王。

先看到下圖的曲線。橫軸的負載瓦數(Watt)對應到縱軸的轉換效率是一漸升的曲線,若以 16V 的例子來看,在負載為 5 瓦效率最高,接近 80%;負載瓦數降低至 1 瓦,轉換效率跟著下降到 55%。

msa2815d
負載/效率特性曲線(MSA from Interpoint)

承上述的數據,轉換效率在 80% 時,其廢熱量為 1.25 瓦;轉換若掉到 55%,其廢熱量約為 0.8 瓦。也就是說即使系統處於低負載,其廢熱量並不會因此大幅減小。

因此,除了轉換效率數據要漂亮,操作溫度範圍要正確,系統規格也要能夠跟 DC/DC converter 的負載要求搭配才行。


以上廢話,接著進入正題,也就是所謂的「不需負載」(No minimum load required)的 DC/DC converter。

Switching regulater 在產生電源時,從書本上的理論來看,需要有負載提供電流路徑。如果沒有負載像是空接之類的,輸出電壓不會是預期的數值;DC/DC converter 內部常用的技術是 flyback switching,其原理跟一般的 switching 類似,理論上會有一樣的問題。如果不按規格上的最低負載的需求去設計系統,效能是無法與規格一致的。

就常識來看,10 瓦以上的功率的 DC/DC converter 一般來說有比較好的負載/效率曲線,也常常有「不需負載」這個特性。先看到 RECOM 的 RP10 系列的 DC/DC converter 的負載/效率曲線圖(下圖),這顆模組標榜「不需負載」也能運作:

nmlr-RP10-2405SA.png

可以看到它的效率品質非常好,負載電流百分比 20% 至 100% 間,基本上轉換效率都能到達 80% 以上。

再來看到同規的 Asia Electronics Ind. 的 SQV 系列,標傍的是「僅需低負載」,其效率品質一樣非常好(下圖):

lml-SQV.png

規格上的要求一回事,但真正應用時,很少會有負載小於 10% 或 20%的時候(要 sleep 的話就直接斷電了),不過對於「不需負載」這個特性用在大功率的應用,很難想到適合什麼樣子的情境。我可不是推薦大家買一顆可以 cover 全部功耗來用,無論如何,效率品質好對於系統的容錯率會有很大的提升,因為電路的熱功耗是天殺的難計算啊。


以上個人見解,歡迎留言討論與指正。

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