如何為低負(fù)載系統(tǒng)提供高效率的穩(wěn)壓功能？這些方法有何優(yōu)點？

在早期汽車應(yīng)用領(lǐng)域中，只有電子時鐘屬于長時間開啟的電子零件。但是多年以來，汽車制造商不斷在汽車中加裝新的電子裝置，并引進(jìn)了新的技術(shù)，因此具有長時間運(yùn)作的電子系統(tǒng)便不斷增加。今時今日，先進(jìn)的駕駛?cè)诵畔⑾到y(tǒng)、娛樂信息與電傳系統(tǒng)，已成為一般汽車的標(biāo)準(zhǔn)配備，即使是在汽車未發(fā)動時，這些系統(tǒng)也必須保啟開啟狀態(tài)，以確保這當(dāng)中的數(shù)據(jù)不會遺失。

在此同時，車用電子系統(tǒng)的設(shè)計也越趨復(fù)雜，而且愈來愈多中低階的汽車也都開始加裝了高階的電子裝置。新一代的汽車必須為駕駛?cè)颂峁崟r的信息，讓駕駛?cè)嗽谲噧?nèi)也可以辦公。由于汽車的功能愈趨多樣化，系統(tǒng)設(shè)計工程師面對的困難同樣與日俱增。因此，要如何利用穩(wěn)壓系統(tǒng)來提供新的磁滯控制技術(shù)，可為低負(fù)載系統(tǒng)提供高效率的穩(wěn)壓功能，同時也介紹其它的穩(wěn)壓技術(shù)。但這些穩(wěn)壓方法能否為低負(fù)載系統(tǒng)提供高效率的穩(wěn)壓功能？這些方法有何優(yōu)點？這些都是未來必須要面對的問題。

過去有個案例，曾有駕駛?cè)藢⑵囃７旁跈C(jī)場停車場內(nèi)近兩個月之久，后來取車時卻發(fā)覺汽車電池的儲電已完全耗盡。這個問題顯示出設(shè)計車用電子系統(tǒng)的工程師，必須留意車用電子系統(tǒng)的功耗，特別是負(fù)載較低，但必須長時間運(yùn)作的電子設(shè)備，以確保這類系統(tǒng)的累積功耗可以減至最少。

在目前車用電子市場上，已經(jīng)有許多電子裝置需要配備長時間開啟的功能也同樣適用，像是利用電池供電的電子裝置，就像是一般可攜式醫(yī)療設(shè)備（如：胰島素輸送泵），或配備后備電池的視訊轉(zhuǎn)換盒等，便屬于這類必須長期開啟的電子設(shè)備。不過，上述電子裝置都有一個共通點，就是在系統(tǒng)已經(jīng)處于待機(jī)模式下，仍需繼續(xù)執(zhí)行一些基本的功能，使得最低負(fù)載系統(tǒng)的效率愈高，電池的壽命便愈長，其它的電子裝置或系統(tǒng)，也因此可以節(jié)省更多能源。

電子系統(tǒng)的設(shè)計日趨復(fù)雜，系統(tǒng)設(shè)計工程師要面臨的挑戰(zhàn)也越多。由于備用時間要進(jìn)一步延長，但是采用全功率作業(yè)模式時，系統(tǒng)的耗電量卻也就相應(yīng)大增。因此，這類系統(tǒng)的備用模式及全功率作業(yè)模式，一般都會分別從不同的電源系統(tǒng)借以獲得些微的電力供給。換言之，即使不同供電系統(tǒng)的電壓完全相同，電源管理系統(tǒng)的設(shè)計也會有所不同，來滿足不同的需求。

一直以來，具長時效性的5V電源供應(yīng)系統(tǒng)，大都采用靜態(tài)電流（Iq）極低的線性低壓降穩(wěn)壓器。但為了滿足低電壓作業(yè)的市場要求，有愈來愈電子產(chǎn)品廠商紛紛將產(chǎn)品的工作電壓調(diào)低，而長時間運(yùn)作的供電系統(tǒng)，也必須順應(yīng)這個潮流。

許多這方面的供電系統(tǒng)，已經(jīng)采用3.3V的低電壓供應(yīng)，相信在不久的將來，這類低壓供電系統(tǒng)也會越趨普及，甚至還有可能將供電電壓降至2.5V或以下。不過，由于整個系統(tǒng)所需的供電量持續(xù)上升，使得負(fù)載電流很容易就會產(chǎn)生不跌反升的現(xiàn)象。加上低壓降穩(wěn)壓器的效率極低，所產(chǎn)生的負(fù)載電流越高，功率消耗也就越大，使得低壓降穩(wěn)壓器在市場中越來越不受到歡迎。

這么說好了，無論輸出電流有多少，低壓穩(wěn)壓器的最高效率都不會超過 27.5%（輸入電壓：12V、輸出電壓：3.3V、最高效率：3.3V/12V＝27.5%），此公式并未將低壓降穩(wěn)壓器的操作電流計算在內(nèi)，因此若將此一并計算，實際所產(chǎn)生的效率會更低。而目前低靜態(tài)電流低壓降穩(wěn)壓器，大部分都可以因應(yīng)負(fù)載電流的大小，進(jìn)而調(diào)節(jié)偏壓電流。

就像是負(fù)載電流較低，偏壓電流便會降至最低，以確保能保持以上所說的最高效率，如此一來便會減緩穩(wěn)壓速度。假設(shè)此時的負(fù)載過高，穩(wěn)壓器便會提高偏壓電流，才能確保負(fù)載瞬時反應(yīng)達(dá)到最佳化的目標(biāo)。不過，這樣的設(shè)計方式會使得系統(tǒng)的整體越來越復(fù)雜，因為低靜態(tài)電流供電系統(tǒng)為不同負(fù)載狀況，提供的總電流便會因此而上升，這是一個無可避免的發(fā)展趨勢。

另外，雖然目前市場上已有部分具有低靜態(tài)電流、高輸入電壓的低壓降穩(wěn)壓器解決方桉，不過大部分的解決方桉的最高輸出電流都不超過 100mA。即使這些解決方桉可以提供較高的輸出電流，但也會增加系統(tǒng)功耗，使問題變得更為復(fù)雜。

從上面的問題來看，考慮到使用開關(guān)式的電源供應(yīng)解決方桉，對于高輸出電流的效率問題就能獲得解決。不過，這有辦法對應(yīng)到舊問題，但新的問題又會出現(xiàn)。例如：低負(fù)載的設(shè)計方式會產(chǎn)生其它問題，因為在汽車電子系統(tǒng)中的電源供應(yīng)解決方桉中，大部分是采用固定式開關(guān)頻率的設(shè)計方式，才能將電子設(shè)備的脈沖寬度調(diào)變（PWM）控制設(shè)計維持最佳化的狀態(tài)。而采用PWM設(shè)計方式的主要優(yōu)點，較能符合電磁兼容性（EMC）的規(guī)范要求，并在需要時可以按照設(shè)定的開關(guān)頻率，優(yōu)化所有濾波功能?？上?，PWM模式也有所限制，例如：在低負(fù)載的情況下，效率便不大理想。

另外，由于開關(guān)過程會產(chǎn)生損耗電流，加上開關(guān)穩(wěn)壓器本身也需消耗電流，因此當(dāng)實際負(fù)載下降到最高負(fù)載的10%以下的時候，供電系統(tǒng)的整體效率便會大幅下降，若實際負(fù)載下降到最高負(fù)載的1%，效率甚至?xí)陆抵?0%以下。因此，這方面的表現(xiàn)必須經(jīng)過大幅的改善之后，開關(guān)穩(wěn)壓器才能夠適何用在備用供電系統(tǒng)上。

另一項，看似可行的解決方桉則是利用脈沖頻率調(diào)變的控制方法。其主要特點在于，開關(guān)頻率會因為負(fù)載電流而有所改變。換句話說，就是當(dāng)負(fù)載電流越低，開關(guān)頻率也就越低，如此一來便可將低負(fù)載電流所產(chǎn)生的開關(guān)損耗降到最低。

基本上，使用開關(guān)穩(wěn)壓器作業(yè)時，耗損掉的電流也會降低，因為這類型的穩(wěn)壓器電路設(shè)計比較簡單，而體積也較小。因此，系統(tǒng)也可以獲得更廣的負(fù)載范圍，并發(fā)揮更高的效率。但負(fù)載若降到接近最低的極限，導(dǎo)致電流低于1mA，效率便未必這么理想。另一缺點是由于開關(guān)頻率并不固定，電磁兼容性的表現(xiàn)便較難預(yù)測，甚至需要投入更多資源改善設(shè)計。因此，甚少車用電子系統(tǒng)采用這個解決方桉。

或許，利用磁滯進(jìn)行控制也是另一個具有可行性的解決方桉。就像 PFM模式一樣，即使在低負(fù)載的作業(yè)情況下，系統(tǒng)也可調(diào)節(jié)開關(guān)頻率，比方說，頻率會隨著負(fù)載的減少而下降。因此，負(fù)載越低，效率則越高，這就是應(yīng)用磁滯控制的最大優(yōu)點。

但在，一旦系統(tǒng)處于高負(fù)載的運(yùn)作下，系統(tǒng)的開關(guān)頻率將會視不同的組件參數(shù)及運(yùn)作狀況，而有所改變，例如：輸入電壓、負(fù)載電流、電感值、輸出電容器，以及等效串聯(lián)電阻等，將對開關(guān)頻率都有很大的影響。而上述參數(shù)的數(shù)值大部分都會隨著溫度的變化而變動，若將這些因素加在一起，開關(guān)頻率及電磁兼容性更難符合汽車工業(yè)的嚴(yán)格規(guī)范。