开关电源的电压精度

摘要

任何开关电源都无法提供绝对精确的输出。输出电压的调节精度会受到多种容差的影响。本文解释了各种不精确性的来源，并说明了如何确定总容差范围。

引言

开关电源有一个反馈引脚，可用来设置输出电压。此输出电压由电源电路调节。但问题是，电压调节的精度如何。

图1显示了一个降压式的开关电源。

它利用一个已有的、通常不稳定的电源电压（输入电压），生成一个经调节后尽可能精确的输出电压。

图1. 降压式开关电源电路结构

输出电压的精度由多种影响因素和容差决定。

直流容差

直流调节偏差包含电压转换器中包含的基准电压的精度偏差（图1）。基准电压由集成电路设计者创建，它在电源电压范围、IC的制造容差和工作温度范围内只有微小的偏差。电压转换器IC的数据手册中会给出直流容差。直流容差的值可通过多种方式进行规定，可以表示为基准电压线性调整率、输出电压负载调整率和稳定反馈电压。除了纯基准电压的精度外，后者还包括反馈引脚处的其他IC特定的直流容差。

直流容差还包括稳定输出电压与反馈引脚之间的电阻分压器的电阻值偏差（图1中的Rfb1和Rfb2）。这类电阻有多种容差规格可选。通常，电阻的容差值接近规定的最大容差。在生产过程中，容差较小的优质电阻会被筛选出来，作为高精度电阻出售。

输出电压纹波

在开关电源中，调节后的输出电压始终存在一定的电压纹波。这种电压纹波由降压型稳压器的电感电流的波动和输出电容值及其等效串联电阻(ESR)决定。通过使用高电感值的线圈和低ESR的大输出电容，可以减少电压纹波，但开关电源无法完全消除输出电压纹波。

负载瞬变

影响所生成电压精度的第三个因素是负载瞬变期间的行为。如果负载电流发生变化，生成的电压可能会向上或向下偏离。负载瞬变的幅度越大，发生得越快，输出电压与设定点的短期偏差就越大。

为了尽可能降低此因素对所生成电压的误差的影响，控制回路的速度必须足够快。ADI公司的LTpowerCAD^®工具能够优化电源转换器电路的控制回路。

图2显示了LT8642S的负载瞬变。负载电流在500 ns内从100 mA提高到5 A，并在250 µs后又迅速降低。电压峰值约为27.5 mV，电压谷值约为26.4 mV。

图2.使用LTpowerAnalyzer在时域中测量负载瞬变

负载瞬变由ADI公司的LTpowerAnalyzer测量。利用此硬件，可以轻松测量不同电流电平和不同阶跃时间的负载瞬变。

图3显示了影响开关电源容差的不同因素。

图3.影响电源输出电压精度的不同因素

结语

选择电源电路时，首先必须确定具体应用所需的电压精度。这一点非常关键，因为它直接影响元器件的选型。例如：如果在乎直流精度，要重点选择电源转换器IC和电阻分压器；如果考虑输出电压纹波和负载瞬变，要选择合适的电感和输出电容。此外，应当优化电路的控制回路，以尽可能有效地处理负载瞬变，例如采用尽可能低的电压偏移。

作者简介

Frederik Dostal是一名拥有20多年行业经验的电源管理专家。他曾就读于德国埃尔兰根大学微电子学专业，并于2001年加入National Semiconductor公司，担任现场应用工程师，帮助客户在项目中实施电源管理解决方案，进而积累了不少经验。在此期间，他还在美国亚利桑那州凤凰城工作了4年，担任应用工程师，负责开关电源产品。他于2009年加入ADI公司，先后担任多个产品线和欧洲技术支持职位，具备广泛的设计和应用知识，目前担任电源管理专家。Frederik在ADI的德国慕尼黑分公司工作。