Frank Chen  
HY-STAR TECHNOLOGY CO。,LTD
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切換式電源 (switch-regulator / switch-power) 原理和設計要領

DC to DC converter (DC/DC 轉換器)原理和設計

為什麼要選擇 Switch Power Supply

傳統的 DC-DC 類比電源(Linear Power Supply)如 LDO ( Low Dropout 低壓差穩壓器),優點是雜訊小,線路簡單。
但 LDO 的致命缺點是效率差和有輸入電壓和數出電流的限制。尤其是大電流輸出和壓差(輸入和輸出的電壓差)大時其效率差的缺點會急速惡化,因效率差,消失的“功”被 LDO 本身轉成熱能浪費掉,而熱能更會使 LDO 發燙又會降低效率而惡性循環。

舉例來說因為 LDO 的輸入電流幾乎等於輸出電流,假如要把 5V 轉 3V/1A 的輸出,(因 LDO 的輸入電流幾乎等於輸出電流) 故輸入 5V/1A 輸出 3V/1A (輸入 5W 輸出只有 3W,效率只有 60%)就有 2W 被轉成熱能浪費掉,輸出電流越大或壓差越大其缺點就越會被放大。

故大電流輸出和壓差大的應用 LDO 就會不敷使用和有其限制,相對於轉換效率高達 70%~98% 的交換式電源(Switch Power / Switch regulator)就成了目前電源系統設計的主流,此外除了轉換效率高的優勢外,泰德半導體(Techcode semiconductor) 的 Switch Power IC 還有下列特點:

• 寬輸入電壓範圍 (Max V_IN=60V) (參考 Techcode Semi selection guide)
• 內建功率晶體,高輸出電流(Max up to 5A)
• 可程式輸出電壓調整(from 1.23V to 54V)
• 過電流和短路保護
• 過熱保護
• On/Off 開關控制
• 低待機電流
• 極少的外加零件

切換式電源原理

<L/C 電路圖>

了解基本原理是設計 Switch Power 第一步,如上圖所示,一個電感 L 再加一個電容 C 就是 Switch Power 的基礎原件。

這裡的 L 和 C 有兩作用;一當“儲能”二當“濾波”這概念在雜訊過大的處理中就非常重要。但如何動作呢 ?既然叫 Switch Power,只要我們把 Switch 的脈波(Pulse)波形加進去上圖 L/C 電路,答案就出來了,如下圖所示:


<Switch Power 原理圖>

以交流的觀點來看,電感因具有反抗電流變化的物理現象(楞次現象 Lenz's law),當脈波停止時儲存在電感的能量會開始放電,而電容的充放電也具有緩和電壓劇烈變化的作用,故輸出波型會把輸入的脈波“平均”。

故根據基本電學,脈波的平均電壓 V_OUT>=(T_ON/T_P)xV_PK, 故只要去改變 T_ON 和 T_P 的長度就可改變平均輸出電壓,借者改變脈波的 T_ON 或 T_P 而達到改變輸出電壓就是 Switch Power 的基本原理。


實際的應用,會在 L/C 電路前加個二極體當放電時的迴路,其作用如下圖所示(圖中的 SWITCH 開關為 IC 內部所控制的電晶體開關)


<switch regulator 原理圖>

調整輸出電壓

如交換式電源原理所敘改變脈波的 T_ON 或 Tp 即能改變輸出電壓,泰德半導體 (Techocde)系列 Switch Power IC, T_P是固定的,有 150Khz,240Khz 和 380kKhz三種頻率 (參考 Techcode Switch Regulator IC selection guide), 故借由改變 T_ON 來達到調整輸出電壓的目的,為了能精確的控制輸出電壓,Switch Power IC內部有一個隱定的電壓參考源 V_REF,泰德半導體(Techcode)的電源IC,其 V_REF=1.23V,其原理如下圖所示。

上圖中的 ERR-AMP 根據 FB (Feed Back)的輸入電壓和內部的 V_REF 比較,進而去控制的 SW 輸出的 Ton 時間,讓 FB 的電壓也=V_REF,進而達到調整電壓的目的,由圖中根據分壓原理可看出 V_REF=R1/(R1+R2) x V_OUT ,因 V_REF 為固定的= 1.23V,故 V_OUT= 1.23x(1+R2/R1)。

泰德半導體(Techcode) 的電源 IC 可分固定輸出型和可調輸出型,二者的原理是一樣的,只差固定型分壓電阻 R1,R2 已內建在 IC 內部。

對於輸出電壓精確要求的應用 R1,R2 用誤差小於 1% 的精密電阻是必須的,下表為標準輸出電壓的 R1和 R2電阻表,沒在表上的輸出電壓,可用公式 V_OUT= 1.23x(1+R2/R1)自行計算所需的電阻,但要特別注意 R1 的電阻最好不要超過 10K,否則容易引起過多的雜訊。

Vout	R1	R2
3.3V	1.6K	2.7K
5V	3.6K	11K
9V	6.8K	43K
12V	1.5K	13K

輸入電容的選擇

泰德半導體(Techcode)的 Switch Regulator (Switch Power) 基本電路如下圖所示:

Techcode 的 TD1501H(TD1501HS50) / TD1501S(TD1501S50) / TD1509(TD1509P5)頻率為 150K 或 TD1583 / TD1591 / TD1410 等頻率為 380K,輸入電容值應大於 100uF 以上。

如輸入電源的漣波較大或負載的電流變化很大或對電源敏感的應用要加大 C_IN 電容值,至於 C_IN 的電容耐壓值,比較安全的做法為 V_IN x 1.5,例如輸入電壓為 10V,則 C_IN 的耐壓選用15V 以上。

選擇適當的電感

在切換式電源原理有提到電感在交換式電源裡有儲能,和濾波的功能,故理論上電感值是越大越好,但因成本和體積考量,選擇適當的電感非常的重要。

一般來說小一點的電感值能可改善暫態響應能力(如要快速控制 On/Off 的應用);其缺點則是輸出電壓漣波會變大,大電感值則會降低漣波並減少暫態響應能力且成本和體積會相對變大,但也不能為了減少成本和體積而用過小的電感。

一般來說電感值的最低值需求為 L(min)=(V_IN-V_OUT)/△I x F) x (V_OUT/V_IN); 看到公式就肚子痛?,事實上此公式只是楞次定律( Lenz's law )而已,
V= -L x (△I/△T),如果反動勢的負號不管他的話可導出 L=V/(△I x F),其中 V 為電感 L 上的壓差 x 脈波的週期 D,整個式子為 L=(V_IN-V_OUT) x D /(△I x F),但在 IC 內部 D 是根據 V_OUT/V_IN 產生,把 D=V_OUT/V_IN 帶進公式後即可得出 L=(V_IN-V_OUT)/△I x F) x (V_OUT/V_IN)。


(海之星科技提供完整泰德半導體(Techcode Semiconductor)電源管理 IC 和周邊零件如電感, Schottky Diode ,如有需求請連絡我們)

 

選擇適當的輸出電容

由交換式電源原理原理圖,就不難理解輸出電容 C_OUT 的功用,和電感一樣電容值也是越大越好,較小的輸出電容 (C_OUT),可改善轉換器的負載暫態響應能力(如要快速控制 On/Off 的應用),電壓漣波會變大。大一點的輸出電容則會降低漣波且成本和體積會相對變大,輸出電容 C_OUT 的大小通常看使用者的應用可忍受多大漣波而定,使用者可用下例的公式去評估 :
V_RIPPLE=V_OUT/F x L x (1-(V_OUT/V_IN)) x (R_ESR+1/(8 x F x C_OUT))。
由上面的公式可看出,用低等效電阻型 (Low ESR) 的輸出電容也可降低 C_OUT 的電容值。至於 C_OUT 的電容耐壓值,比較安全的做法為 V_OUT x 1.5。

選擇適當的二極體

由 Switch Regulator 原理圖, 交換式電源中二極體是必要的,且由於泰德半導體(Techcode)的電源IC, PWM 脈波的切換頻率高達 150Khz 以上,故務必用交換速度快的蕭特基二極體,其他要注意的還有蕭特基二極體耐壓和耐流,蕭特基二極體耐壓為實際應用的最大輸入電壓 V_IN,耐流對應的為實際應用最大輸出電流,蕭特基二極體選擇可參考下表:

Vin(Max)	1A load Current		2A load Current		3A load Current		5A load Current		Vendor
	Part Numbe	Package	Part Numbe	Package	Part Numbe	Package	Part Numbe	Package	Eris Technology
20V	1S20	R-1	SR220S	DO-41	1N5820	DO-201AD	SR520	DO-201AD
	1N5817	DO-41	SR220	DO-15	SR320	DO-201AD	SM520AF	DO-221AC (SMAF)
	SR120	DO-41	ERS220P	SOD-123F	ERS320P	SOD-123F	SM520A	DO-214AC (SMA)
	ERS120P	SOD-123F	SM220AF	DO-221AC (SMAF)	SM320AF	DO-221AC (SMAF)	SM520B	DO-214AA (SMB)
	SM120AF	DO-221AC (SMAF)	SM220A	DO-214AC (SMA)	SM320A	DO-214AC (SMA)	SM520C	DO-214AB (SMC)
	SM120A	DO-214AC (SMA)	SM220B	DO-214AA (SMB)	SM320C	DO-214AB (SMC)
	SM120B	DO-214AA (SMB)	SK22L	DO-214AC (SMA)	SK32LB	DO-214AA (SMB)
	ERS120LP	SOD-123F	SK22LB	DO-214AA (SMB)
	SK12L	DO-214AC (SMA)
30V	1S30	R-1	SR230S	DO-41	1N5821	DO-201AD	SR530	DO-201AD
	1N5818	DO-41	SR230	DO-15	SR330	DO-201AD	SM530AF	DO-221AC (SMAF)
	SR130	DO-41	ERS230P	SOD-123F	ERS330P	SOD-123F	SM530A	DO-214AC (SMA)
	ERS130P	SOD-123F	SM230AF	DO-221AC (SMAF)	SM330AF	DO-221AC (SMAF)	SM530B	DO-214AA (SMB)
	SM130AF	DO-221AC (SMAF)	SM230A	DO-214AC (SMA)	SM330A	DO-214AC (SMA)	SM530C	DO-214AB (SMC)
	SM130A	DO-214AC (SMA)	SM230B	DO-214AA (SMB)	SM330C	DO-214AB (SMC)
	SM130B	DO-214AA (SMB)
	ERS130LP	SOD-123F
	SK13L	DO-214AC (SMA)
40V	1S40	R-1	SR240S	DO-41	1N5822	DO-201AD	SR540	DO-201AD
	1N5819	DO-41	SR240	DO-15	SR340	DO-201AD	SM540AF	DO-221AC (SMAF)
	SR140	DO-41	ERS240P	SOD-123F	ERS340P	SOD-123F	SM540A	DO-214AC (SMA)
	ERS140P	SOD-123F	SM240AF	DO-221AC (SMAF)	SM340AF	DO-221AC (SMAF)	SM540B	DO-214AA (SMB)
	SM140AF	DO-221AC (SMAF)	SM240A	DO-214AC (SMA)	SM340A	DO-214AC (SMA)	SM540C	DO-214AB (SMC)
	SM140A	DO-214AC (SMA)	SM240B	DO-214AA (SMB)	SM340C	DO-214AB (SMC)
	SM140B	DO-214AA (SMB)	SK24L	DO-214AC (SMA)	SK42L	DO-214AC (SMA)
	ERS140LP	SOD-123F	SK24LB	DO-214AA (SMB)	SK34LB	DO-214AA (SMB)
	SK14L	DO-214AC (SMA)
50V	1S50	R-1	SR250S	DO-41	SR350	DO-201AD	SR550	DO-201AD
	SR150	DO-41	SR250	DO-15	SM350AF	DO-221AC (SMAF)	SM550AF	DO-221AC (SMAF)
	SM150AF	DO-221AC (SMAF)	SM250AF	DO-221AC (SMAF)	SM350A	DO-214AC (SMA)	SM550A	DO-214AC (SMA)
	SM150A	DO-214AC (SMA)	SM250A	DO-214AC (SMA)	SM350C	DO-214AB (SMC)	SM550B	DO-214AA (SMB)
	SM150B	DO-214AA (SMB)	SM250B	DO-214AA (SMB)			SM550C	DO-214AB (SMC)
60V	1S60	R-1	SR260S	DO-41	SR360	DO-201AD	SR560	DO-201AD
	SR160	DO-41	SR260	DO-15	ERS360P	SOD-123F	SM560AF	DO-221AC (SMAF)
	ERS160P	SOD-123F	ERS260P	SOD-123F	SM360AF	DO-221AC (SMAF)	SM560A	DO-214AC (SMA)
	SM160AF	DO-221AC (SMAF)	SM260AF	DO-221AC (SMAF)	SM360A	DO-214AC (SMA)	SM560B	DO-214AA (SMB)
	SM160A	DO-214AC (SMA)	SM260A	DO-214AC (SMA)	SM360C	DO-214AB (SMC)	SM560C	DO-214AB (SMC)
	SM160B	DO-214AA (SMB)	SM260B	DO-214AA (SMB)
80V	1S80	R-1	SR280S	DO-41	SR380	DO-201AD	SR580	DO-201AD
	SR180	DO-41	SR280	DO-15	SM380AF	DO-221AC (SMAF)	SM580AF	DO-221AC (SMAF)
	ERS180P	SOD-123F	ERS280P	SOD-123F	SM380A	DO-214AC (SMA)	SM580A	DO-214AC (SMA)
	SM180AF	DO-221AC (SMAF)	SM280AF	DO-221AC (SMAF)	SM380C	DO-214AB (SMC)	SM580B	DO-214AA (SMB)
	SM180A	DO-214AC (SMA)	SM280A	DO-214AC (SMA)			SM580C	DO-214AB (SMC)
	SM180B	DO-214AA (SMB)	SM280B	DO-214AA (SMB)
100V	1S100	R-1	SR2100S	DO-41	SR3100	DO-201AD	SR5100	DO-201AD
	SR1100	DO-41	SR2100	DO-15	SM3100AF	DO-221AC (SMAF)	SM5100AF	DO-221AC (SMAF)
	ERS1100P	SOD-123F	ERS2100P	SOD-123F	SM3100A	DO-214AC (SMA)	SM5100A	DO-214AC (SMA)
	SM1100AF	DO-221AC (SMAF)	SM2100AF	DO-221AC (SMAF)	SM3100C	DO-214AB (SMC)	SM5100B	DO-214AA (SMB)
	SM1100A	DO-214AC (SMA)	SM2100A	DO-214AC (SMA)			SM5100C	DO-214AB (SMC)
	SM1100B	DO-214AA (SMB)	SM2100B	DO-214AA (SMB)

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雜訊過大的處理

交換式電源相對於類比電源唯一比較大的缺點就是因有脈波切換,故雜訊相對較大,但只要懂得原理,還是可以克服的。
在 Switch Power 原理 說過一個概念,交換式電源的 L 和 C 有兩作用,既可當“儲能”又當“濾波”。

<L/C濾波器的電路>

上圖為 L/C濾波器的基本電路,是不是和切換式電源原理的基礎電路是一樣的,基原理為雜訊為交流信號,我們只要把交流(雜訊)分壓掉即可,如下圖為 L/C 濾波的交流等效電路

< L/C濾波的交流等效電路>

假設如上圖中有 1V 的交流輸入電壓,z1=9Ω, z2=1Ω,輸出的電壓 Vout = 0.1V,只剩原來的 1/10。

當然我們只想把代表雜訊的交流分壓掉,我們所要的直流電源要不受影響,故 z1用 電感 L 取代, z2 用 電容 C 取代即可達到我們的目的。

因對交流來說,電感的阻抗 XL 通常很大,XL 的公式可由 XL=2π x F x L 算出 (電感值越大,感抗越大);電容的阻抗 XC 通常很小,可由 XC=1/(2πx F x C) 得之(電容值越大,容抗越小),故雜訊大部分被分壓到電感 L 上,相對的電容 C (輸出端)雜訊就變小了。

故由分壓的原理來看,加大電感 L 或加大電容 C 都可有效的壓低雜訊,但有成本和體積過大的缺點。

另一種做法為在 C_OUT 端並一顆小電容值約 1uf~22uf 的 Low ESR 電容,通常陶瓷或鉭質電容有比較好的 Low ESR 特性,其原理為一般的電容不可能只有純電容特性,或多或少有電感和電阻的成份,其等效電路如下圖。


<電容等效電路>

如果把此等效電路放到 L/C濾波的基本電路圖 的電容 C 的位置或 L/C濾波的交流等效電路 圖中 z2 的位置,用交流分壓公式可算出,電感上所分的雜訊變少了故輸出的雜訊就變大了,故在 C_OUT 的地方並聯一個 Low ESR 的小電容可有效的減少此雜訊分壓到輸出電容．
此外在電源要求特別乾淨的應用，加上第二級的 L/C 濾波器也是個好方法，如下圖。



至於第二級濾波器 L 和　C 的值完全看要濾掉多少雜訊而定。 此外 Layout 對交換式電源的雜訊也有決定性的影響。

 

Layout 注意事項

在交換式電源中,PCB 佈線非常重要，因 Switch Regulator 的脈波切換很容易引起電磁波幅射的干擾而產生許多問題。要使幅射干擾減小下圖中所示粗線部分在 PCB 板上的印製盡可能粗寬和短。





外接元器件要盡可能地靠近 IC，且最好使用磁遮罩電感(Shielded Inductor)或環形電感 (Ring Winding Inductors/Toroidal Coils)，柱狀電感(芯開放式)磁避不佳最好避免;如無可避免一定要用柱狀電感,它的位置必須格外小心。避免電感南北磁極的磁幅射和敏感的 FB pin 交叉而因引起磁切的干擾,磁切的干擾可能會產生很大的雜訊和不隱定的輸出電壓。

另在可調輸出型(Adjustable output versions)的方案中,必須特別注意反饋(FB)電阻及其相關導線的位置。在物理上,一方面電阻要靠近IC，另一方面相關的連線要遠離電感的幅射和磁切，如果所用電感是柱狀電感，更要特別注意。

另外 IC 的散熱也非常最要,有些小技巧可利用 PCB 來達到散熱的目的以 Techcode TD1583(SOP8) 和 TD1501 / TD1501H (TO-263)的 IC 為例,參考下圖

 

電源熱插拔設計

“熱插拔”(hot swapping 或 hot plugging )定義為“帶電插拔裝置”。有時可能會遇到應用皆沒超出電源 IC 規格,但卻把裝置或電源 IC 燒毀,其中可能的原因是系統設計不符合熱插拔,卻因不當的熱插拔動作而把裝置燒毀。

其原因為有電的情況下插拔裝置時,地線可能先移除或最晚接上,此時瞬間因地線浮接 (Floating) 而根據歐姆定律 V=I x R,因沒參考地,故裝置內阻是接近無限大,故帶入歐姆定律公式 V=I x ∞(R) = ∞ ,故電路上很微小的雜訊電流在沒參考地的情況下,裝置上的壓降可能被無限放大而把裝置燒毀。

你我身邊就有許多裝置可熱插拔如 USB 裝置, SATA 硬碟,IEEE-1394周邊設備等都可以實現熱插拔,如下圖:

USB Pen Drive	SATA Connector

注意觀察的話會發現可熱插拔的裝置其接腳長度不一,原因為一般最長的接腳為地線,以確保裝置在插拔時最先接觸到和最晚脫離來避免因地浮接(floating)而把裝置燒毀,故一般如裝置要符合熱插拔,其接腳規則如下:

• GND 一定要比其他 PIN 凸出 (其他 PIN 為正電源或其他信號 PIN 等)
• GND 左右二邊各一,以確保不同角度插拔時 GND 會先接觸到和最晚脫離 (如下圖)
  

hot-swap connector corner pins

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故障排除

電源系統有“Hum”聲

一般來說電源系統的“hum”聲(Pump noise),來自 Switch Power IC 的輸出頻率或 Ripple 頻率的諧波(Harmonic)和電感頻率共振時,由電感產生的,尤其是輸入電壓高時(如輸入 > 45V)特別容易產生,可依下步驟排除:

• 增加輸出電感的值,電感值越大,電感越不容易共振。
• 用環型電感。
• 降低 ripple 以減小和電感共振的機會,參考雜訊過大的處理和Layout 注意事項 。

Switch IC 過熱

不建議電源 IC 常期工作在 80∘C 以上,如 Switch Regulator IC 過熱,可如下方法來降低溫度。

• 可加大 PCB 來幫助散熱,參考 Layout 注意事項
• 雜訊過大的處理中所提到電感值越大,感抗越大,故加大電感的值可減少流經負載的交流電流(直流不受影響),進而降低 Switch IC 的溫度。

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切換式電源其他應用電路

Soft-Start (軟啟動)電路

在 R2 加 1uF to 10 uF 的電容(電容越大,延遲開機的時間就越長,且要注意此電容的耐壓要大於 R2 的壓降電壓)即可有 Soft-Start 的 Function 如下圖


<Soft-Star 電路圖>

原理為:當一開機時,電容為 Short=0Ω, 帶入調整輸出電壓公式 V_OUT = (1+0/R3)*1.23V = 1.23V
一段時間後,電容充飽電而 Open, 故 V_OUT 就由純電阻的 R1 和 R2 決定 = (1+R2/R1)*1.23V。
。

定電流電路

泰德半導體(Techcode)系列的電源管理 IC，不只可操作在穩壓部分，也可操作在“定電流”的應用,如驅動 LED(包含多個串並) 為定電流的應用最常見的例子。

定電流電路的原理為 Switch Regulator IC 會根據 FB (Feedback) 偵測到電壓調整輸出 Ton 和 Tp 的寬度 (參考 Switch Power Supply 原理)讓 V_fb=V_REF,故 FB 上的電壓為固定的=1.23V (TD1501 / TD1501HS / TD1509 / TD1583 / TD1410 等 FB=1.23V),故如下圖流經負載的電流 I_Load (A) = 1.23 V / R_fs。


其電路大至有『簡易型』和『外加OP 型』，如果定電流應用所需的電流不大,簡易型電路是簡單又好用的解決方法,反之如要求高效能或所需的定電流較大,可考慮外加 OP 型的定電流電路。

• 簡易型：
  只要在 TD1xxx IC 之 FB pin 串個電阻 R_fs 到地，另在 V_OUT 放上 Load (如 LED 或其他負載) 至 FB pin 之問即可得到定電流源,電路如下:
  
  <簡易型-定電流電路圖>
  
  其計算式如下:
  (以 FB (Feedback) 電壓=1.23V 為例)
  其數學式如下: 負載的電流 I_Load (A) = I_fs = V_fb / R_fs = 1.23 V / R_fs。
  
  例如欲在 Load 處有固定的 1A 輸出，則 R_fs= 1.23 Ω 即可 ; 其餘電流依此類推...。
  此時流經 R_fs 的功耗 = I² x R_fs, 故 R_fs 可能要用高瓦特的電阻，不然 R_fs 可能會燒燬。
  
  
• 外加OP 型:
  相較於『簡易型』,『外加 OP 型』的定電流電路效率高很多,也可減少發熱。其原理為利用“OP非反向放大器”來降低 V_fb, V_fb 越低浪費在 R_fs 的功耗就越少。
  
  其基本電路如下:
  
  
  <OP型-定電流電路圖>
  
  
  其計算式如下：
  
  1. V_Rfs = V_fb R1 / ( R2+R1 )
  2. 負載的電流 I_LOAD(A) = I_Rfs = V_Rfs / R_fs ,將 V_fb =1.23V 和 V_Rfs = V_fb R1 / ( R2+R1 )代入公式 → R_fs =( 1.23 V* R1/(R2+R1) )/I_LOAD。
     以定電流 1A 輸出為例, R1 取 = 1KΩ，R2 = 5KΩ，則 R_fs=( 1.23*1K / (1K+5K) )/ 1A= 0.205 Ω 。
  3. 此時流經 R_fs 的功耗 = I² x R_fs，和“『簡易型』的定電流電路”相比因 R_fs 已小了 1/6，故浪費在 R_fs 的功耗只有『簡易型』的定電流電路"的 1/6。

  (海之星科技提供完整泰德半導體(Techcode Semiconductor)電源管理 IC 和定電流專用的 OP,如有需求請連絡我們)

  
  

電壓過低鎖定電路 (UVLO)

當輸入的電壓源電壓太低時, Switch Power IC 的輸出可能會不正常,若希望此時不讓 Switch Regulator IC 啟動 (因為其電壓源都不足了,強行輸出可能會不正常)可利用“電壓過低鎖定” (Under Voltage Lockout 簡稱 UVLO)電路來完成此一目的。

泰德半導體(Techcode semi.)系列的 Switch IC , On/Off 控制有 “Hi enable”&“Low enable”二種,“Hi enable”的 UVLO 電路比較簡單,用分壓電阻使 V_EN < 0.7V 不讓這 IC 啟動即可,作其電路如下圖:


<Hi-Enable UVLO 電路圖>

其計算式如下：

啟動電壓 V_TH = 12V > V_IN x R2/(R1+R2) > 0.7V

 

“Low enable” 的電路會比較複雜一點,電路如下:

<Low-Enable UVLO 電路圖>

其原理為利用 Zener diode 來控制 Switch-Power 的 On/Off (看要輸入多少電壓才去 Enable DC/DC IC 就用幾伏的 Zener diode) 。

其計算式如下：

啟動電壓 V_TH≒V_Z1

 

註:泰德半導體(Techcode Semiconductor)系列的 Switch IC“Hi enable”的 IC 有 TD1410 , TD1583 , TD1591 , TD7580 , TD7590 等。
“Low enable”的 IC 有 TD1501H , TD1501 和 TD1509 等。

PoE 電源應用電路

因 PoE (Power over Ethernet)乙太網路供電規範之“IEEE 802.3AF”或“IEEE 802.3AT”供電端(PSE)電壓可高達 57V,故用 60V/3A 的 TD1501HSADJ 或 TD1501H5.0 是 PoE PD 端 DC/DC 理想的解決方案。

應用在乙太網路受電端 (PoE-PD)典型的應用電路如下:

TD1501HSADJ for PoE-PD block-diagram:

TD1501H 應用在 PoE-PD 可搭配的 PD-Contorller 沒有限制,如下例為搭配 Linear Tech 的 LTC4257。




應用在乙太網路供電端,如 PoE-Switch/PoE-Hub 典型的應用電路如下:

TD1501HSADJ for PoE-Switch block-diagram:

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快速應用參考電路

泰德半導體(Techcode)的電源 IC 主要有 Bipolar 高輸入電壓系列(Up to 60V input)和 PMOS 高效率系列(Up to 95% Efficiency);user 可直接套用如下參考電路的零件值或要最佳化的微調,再繼續參考參考其 DC/DC 原理和設計。

Bipolar 高輸入電壓系列:

Bipolar 高輸入電壓系列的 IC 有 TD1501H / TD1501 / TD1509 等其特點為高輸入電壓(最高 60V)頻率為 150K,其典型的電路如下:

其零件值如下:

• A:輸入電壓→
  TD1501 和 TD1509 輸入電壓最高為 45V,TD1501H 更高達 60V,超過其規格的輸入電壓會永久損壞 IC。
  
  
• B:輸入電容 C_IN→
  標準輸入電容為 470uF的電解電容 ,如因機構或其他因素的限制,不可小於 100uF, 否則可能會永久損壞 IC。
  至於 C_IN 的電容耐壓值,比較安全的做法為 V_IN x 1.5,例如輸入電壓為 10V,則 C_IN 的耐壓選用15V 以上。
  
  
• C:電壓調整電阻→
  如為固定電壓型 IC(如 TD1501H50)不用接電壓調整電阻,但 R2 要短路,如為可調型 (如 TD1501HADJ)輸出電壓的公式為 V_OUT= 1.23x(1+R2/R1)
  對於輸出電壓精確要求的應用,R1,R2用誤差小於 1% 的精密電阻,特別注意 R1 的電阻最好不要超過 10K,否則容易引起過多的雜訊。
  
  
• D:Switch IC→
  如因負載過大或散熱不良可能會造成 Switch Regulator IC 過熱,不建議電源 IC 長期工作在 80∘C 以上,如 Switch Power IC 輸出負載過大而過熱,可參考 Switch Regulator IC 過熱來降低溫度。
  
  
• E:二極體→
  務必用交換速度快的蕭特基二極體,其他要注意的還有蕭特基二極體耐壓和耐流,蕭特基二極體耐壓選擇為實際應用的最大輸入電壓,耐流為實際應用的最大輸出電流。
  安全的做法為實際應用的最大輸入電壓和輸出電流再加一級,例如輸入電壓為 40V,輸出電流為 2A,建議用 50V/3A 以上的蕭特基二極體。
  
  
  
• F:電感→
  標準值為 47uH,如對 ripple 要求嚴謹或 DC to DC IC 過熱可加大其電感值,理論上電感值是越大越好,如因機構或其他的限制最好不要小於 33uH;至於電感的耐流為輸出電流再加一級,例如輸出為 2A,電感的耐流就選 2.5A。
  此外建議用全罩式或環形電感，柱狀電感(芯開放式)磁避不佳最好避免 。
  
  
• G:輸出電容→
  標準值為 Low ESR 470uF 的電解電容,如對 ripple 要求嚴謹或 DC Regulator IC 過熱可加大其電容值,理論上電容值是越大越好,如因機構或其他的限制最好不要小於 330uF;至於電容的耐壓值為實際應用的最大輸出電壓再加一至二級,例如輸出電壓為 12V ,建議選耐壓 > 20V 的輸出電容。
  

 

 

PMOS 高效率系列:

PMOS 高效率系列 IC 有 TD1583 / TD1591 / TD1410 等其特點高效率電壓轉換(up to 95 %)頻率為 380K,其典型的電路如下:

其零件值如下:

• A:輸入電壓→
  TD1591 / TD1583 / TD1410 等 IC 最高輸入電壓各為 32V/28V/20V,超過其規格的輸入電壓會永久損壞 IC。
  
  
• B:輸入電容 C_IN→
  標準輸入電容為 100uF的電解電容,小於 100uF可能會永久損壞 IC。
  至於 C_IN 的電容耐壓值,比較安全的做法為 V_IN x 1.5,例如輸入電壓為 10V,則 C_IN 的耐壓選用15V 以上。
  
  
• C:電壓調整電阻→
  輸出電壓的公式為 V_OUT= 1.23x(1+R2/R1), 對於輸出電壓精確要求的應用,R1,R2用誤差小於 1% 的精密電阻,特別注意 R1 的電阻最好不要超過 10K,否則容易引起過多的雜訊。
  
  
• D:Switch IC→
  如因負載過大或散熱不良可能會造成 Switch Regulator IC 過熱,不建議電源 IC 長期工作在 80∘C 以上,如 DC/DC IC 輸出負載過大而過熱,可參考 Switch IC 過熱來降低溫度。
  
  
• E:二極體→
  務必用交換速度快的蕭特基二極體,其他要注意的還有蕭特基二極體耐壓和耐流,蕭特基二極體耐壓選擇為實際應用的最大輸入電壓,耐流為實際應用的最大輸出電流。
  安全的做法為實際應用的最大輸入電壓和輸出電流再加一級,例如輸入電壓為 30V,輸出電流為 1A,建議用 30V/2A 以上的蕭特基二極體。
  
  
  
• F:電感→
  標準值為 15uH,如對 ripple 要求嚴謹或 DC-to-DC Switching Regulator IC 過熱可加大其電感值,理論上電感值是越大越好,如因機構或其他的限制最好不要小於 10uH;至於電感的耐流為輸出電流再加一級,例如輸出為 1A,電感的耐流就選 1.5A。
  此外建議用全罩式或環形電感，柱狀電感(芯開放式)磁避不佳最好避免 。
  
  
• G:輸出電容→
  標準值為 Low ESR 220uF 的電解電容或 22uF 的陶瓷電容,如對 ripple 要求嚴謹或 Regulator IC 過熱可加大其電容值,;至於電容的耐壓值為實際應用的最大輸出電壓再加一至二級,例如輸出電壓為 5V ,建議選耐壓 > 10V 的輸出電容。

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TD1501/TD1501H 取代 LM2575(HV)/LM2596(HV) 應用

頻率 150Khz 的 TD1501/TD1501HS 取代 52K 的 LM2576/LM2576HV

LM2576/LM2576HV 因頻率較低故電感和輸出電容值會大許多,其典型的電感和電容值各為 100uH 和 1000uF 如下圖。


而 TD1501 / TD1501H 因頻率為 150Khz 故相對的電感和輸出電容值會小很多,典型值各為 47uH 和 470uF 。而根據 Switch Regulator 原理如頻率固定其電感/輸出電容值是越大越好,故即使不變更電感和輸出電容值,TD1501/TD1501H 也可完全取代 LM2576/LM2576HV 並提供更高的規格和較優惠的價格。

下表為較高規格的 TD1501/TD1501H 取代 LM25xx系列的對應情形(或參考泰德半導體取代 TI LM25xx 產品列表)。

Techcode Parts	Congeneric Parts
TD1501SADJ (45V/3A 150K)	LM2575S-ADJ (40V/1A 52K)	LM2576-ADJ (40V/3A 52K)	LM2596-ADJ (40V/3A 150k)
TD1501S50 (45V/3A 150K)	LM2575S-5.0 (40V/1A 52K)	LM2576-5 (40V/3A 52K)	LM2596-5.0 (40V/3A 150k)
TD1501HSADJ (60V/3A 150K)	LM2575HVS-ADJ (60V/1A 52K)	LM2576HV-ADJ (60V/3A 52K)	LM2591HV-ADJ (60V/1A 150k)	LM2592HV-ADJ (60V/2A 150k)	LM2596HV-ADJ (60V/3A 150k)
TD1501HS50 (60V/3A 150K)	LM2575S-5.0 (60V/1A 52K)	LM2576HV-5 (60V/3A 52K)	LM2591HV-5.0 (60V/1A 150k)	LM2592HV-5.0 (60V/2A 150k)	LM2596HV-5.0 (60V/3A 150k)