如何實踐5-1%內電壓精準的電源規範

一般情況下，電源電壓必須在任何時候都要符合電源規範的電壓精準度以內。而且，只要參考電源元件與其他選用的零件夠精確，正負5%以內電壓精準度， 就不須做調校動作，然而隨著電壓精準度要求日趨嚴格。當要實踐1%以內電壓精準度時，元件間個別的差異就為設計與生產良率提供了一大難題。以下分就常見的3個方案，以12 V 輸出應用為例加以簡述比較。

方案一:

Vout=12 V 我們可以選擇一個 1%的2.5V參考電壓，差動放大器（Error Amplifier）的規格為偏移電壓（Offset Voltage）  Vio=±7 mV，如果採用1%的分壓電阻 R1=10KOhm （1%）, R2=38KOhm （1%）最大輸出電壓應為12.49V ，最小輸出電壓為11.52 V ，輸出範圍為 11.52–12.49V，也就是正負4%  要以此條件量產，只要參考電源元件與其他選用的零件不出現超出規格書中所標示之規格，正負5%以內電壓精準度 就不須做調校動作。但是當要實踐1%以內電壓精準度就無法單靠零件精準度來達成。

方案二:

在想達到1%以內電壓精準度應用下參考準位與電阻精準度皆會嚴重影響輸出電壓精準度。一般來講在分壓電阻中加入一可變電阻（Variable Resistor）調整輸出電壓，因此設計時調整範圍不可太窄但又須兼顧精確性，然而多轉數微調可變電阻需要機械調校動作導致生產速度慢再加上溫度變化下的機構件及耐振性（vibration） 導致重複不斷測試穩定度也為生產良率提供了一大難題。

圖1

12V 輸出在微調可變電阻的過程中需要不斷修正收歛以達到1%以內電壓精準度，但是輸出電壓也短暫處於不穩定的狀態如圖1，既耗時又耗工。

圖2

方案三

如果參考電壓可以改變，不但可以克服參考電壓對輸出電壓精準度的影響還可以將整個閉迴路中元件變異所產生的誤差透過參考電壓的改變修正至目標值，以意法半導體（ST）推出的數位調整IC 為例12V 輸出電壓，參考電壓可以改變範圍為2.575V到2.425V 如果分壓電阻還是R1=10KOhm （1%）, R2=38KOhm （1%） 如圖2 輸出電壓可被調整回12V的範圍應該12.56V到11.457V，而參考電壓以0.2% 的精度微調不但兼顧速度也同時考慮生產的速度。簡單而穩定的I2C協議 可以在極短的時間內完成輸出電壓的調整如圖3。

而且I²C 調整下也不會有 圖1 輸出電壓也處於不穩定的狀態，參考電壓偏差在負25 °C 到 105 °間不同溫度下誤差值均在0.6% 以內 相較於動輒3%以上 可變電阻隨溫度變化特性（Resistance of temperature Change character）也就減輕參考電壓偏差在各種溫度操作條件下對輸出電壓的影響。尤其內建雙組非揮發性記憶體（Redundant non-volatile memory ）可在無限次調整，一旦發現的最佳值後，永久將它們儲存在非揮發性記憶體並且容許再次更新燒錄一次（Redundant OTP）。在搭配電腦後無論是產品辨識、操作記錄及後續追蹤，均可經由記憶體的存取，以方便日後的管理及除錯。總結於表1整理各方案的比較。

表1

圖3：Ch1 V Out  CH2 CLK Ch3 Data

如圖4的一個電源應用實例。“以線上數位微調恆定電壓CV（constant voltage）和恆定電流CC（constant current）控制”

圖4

 

 

 

允許使用者以數位微調的方式線上調整內部參考電壓電流 Vrefv與 Vrefi，以達成精度最高電壓和電流的應用（交換式電源供應器SMPS需要精確的限制電流或穩壓或非常精確的電壓調節率）。新的方式允許使用者在沒有使用任何外部元件或人工干預下通過軟體簡單的操作可以修改參考電壓電流Vrefv的Vrefi IC的參數達成最高準確度。Vrefv參考電壓通常是與電壓調節相關的參數，在測量電源輸出電壓後第一步驟通常是調整Vrefv參考電壓在確保電源輸出電壓已經進入期望的電壓精度度後再進行下一步，Vrefi 電壓參考電流在大部的情況下是必須被調整，在測得的輸出電流值後再將調整Vrefi電壓參考電流到希望的輸出電流參數。控制電流與的控制輸出電壓之間的關係可以被描述在下面的V / I輸出功率圖方形圖型中 Fig5（IC 的電源獨立於電源供應器輸出電源）。

圖5

在測試的產品的生產過程中，嵌入的數位調整允許使用者可通過軟體調整和永久儲存存兩個獨立的Vrefv和內部參考Vrefi來補償外部元件的誤差離散值。由於其離散值的移動設備IC 提供了一個非揮發性記憶體（NVM）的內含OTP（雙組OTP一次性可程式記憶體）及揮發性內存記憶體，此記憶體是用來調節Vrefv 及Vrefi內部參考的值：一旦已發現的最佳值使用者可以永久地將它們儲存在第一個OTP內存。允許使用者進行第二次微調過程存在第二OTP，有可能使在某些不可預期的情況下，如客戶規格改變下需要搜索一個新的最佳Vrefv 與Vref值就可以將這些數值永久儲存存第二OTP。在IC 上電時的值Vrefv與 Vrefi是取決於OTP狀態: -如果IC記憶體從來沒有被燒錄過，（即沒有任何值儲存在OTP記憶體）VrefV和Vrefi被初始化為預設值，如果IC被燒錄過一次（即值儲存在第一OTP中）VrefV 和Vrefi的值會被選擇在調整過程中由使用者儲存在第一OTP記憶體的值。同樣的如果IC被燒錄過二次（即值儲存在第二OTP）VrefV Vrefi的值會被選擇在第二調整過程中由使用者 儲存在第二個OTP記憶體的值。此外該IC 提供了只需要兩個腳pin 的I2C slave通信界面：DATA 和 CLOCK. I2C界面允許使用者以簡單的方式透過I2C 匯流排，為確保通信的可靠與完整性外加了奇偶校驗控制。

從市場生產設計的角度來看，數位電源調校其優點可由上述幾項因素歸納更高的效能和可靠性，並且降低成本，加快新產品上市時間。在整體成本的控制上會比可變電阻調整輸出電壓電路更具競爭性及優勢對於電源製造廠而言，數位電源調校的電源設計對於降低生產設計成本也可提供一個不錯的解決方案。希望此篇文章能帶給大家有更新的概念及想法，去思考及瞭解數位電源調校所能帶來那些應用上的幫助，以及給各位在未來發展新產品時的一個新的選擇。