一招搞定開關電源的「低溫症 」!

作者 : David Bogardus,BOTEK Electronics資深設計工程師

幾年前,我為一款邏輯分析儀探棒設計了簡單且高性價比的低功耗DC電源。這個原型電源製造和測試起來很容易,在室溫和55℃時也表現出色,但是到了-15℃時卻出現輸出電壓跌落的情況…

幾年前,我剛加入一家主要的示波器和邏輯分析儀製造商不久,還是一位新手設計工程師時,就有幸負責為一款邏輯分析儀探棒設計簡單且高性價比的低功耗直流(DC)電源。 那時,唯一可用的電源電壓是-9.5V,但是需要用5V電壓為某些邏輯緩衝器供電。由於我只需要大約50mA的電流,而且不需要顧慮電路板(PCB)空間問題,因此就使用了NE555 (其圖騰柱輸出具有很強的驅動能力)來驅動電壓反向二極體/電容電荷泵,然後使用78L05三​​端穩壓器來降低紋波,並提供過溫和過流保護。 所有的元件都很常見且便宜,而且已經在公司零件系統中進行了編號,在工程庫房的貨架上也都有現貨。因此,這個原型電源的製造和測試就很很容易。 這款原型運作得很不錯,可以為78L05提供充足的輸入電壓裕量,因此我對進行電路板佈局充滿信心。當我們把板子拿回製作後,一切似乎都很好。在室溫下,這個小型電源為負載提供了足夠的電流,並且由於線性穩壓器的紋波很低,電壓良好而且安靜。 當我們在溫箱中進行操作測試時,問題就出現了。在室溫下一切都很好,在55℃時也還不錯,但令我驚訝和失望的是,這個小開關電源的輸出電壓到了- 15℃時開始跌落。78L05的輸入電壓下降到了指定的最小值以下。在負載下則需要2.5V的裕量。(當時,低壓差穩壓器並不常見甚至都還沒出現。) 為了最大程度地降低開關損耗,我選擇了1N5817蕭特基二極體,因為它的正向壓降只有400mV。我使用示波器測量出進入二極體/電容電荷泵的驅動電壓良好,蕭特基二極體兩端的損耗也很低。但出乎意料的是,電解電容兩端的壓降卻很大。 針對設計的電荷泵部份,我使用的是小型徑向導線鋁電解電容。儘管其特定的工作溫度範圍比我的目標溫度範圍更廣,但我卻不知道,在-15℃時,它們會從合適的電容變成損耗非常大的電容。 從那時起,我了解到,除非指定特殊的寬溫範圍鋁電解電容,否則將會看到額定電容值隨溫度下降而下降,而且等效串聯電阻(ESR)還可能會增加10倍 ! 而且由於我是使用它們來傳輸電力,而不僅僅用來實現毫伏級(mV)的訊號耦合,因此ESR的增加就非常要命。 如何才能在不改變電路板佈局的情況下恢復正常呢?所幸我們手邊正好有一些徑向的「橘滴」(orange drop)鉭電容,正好適合現有PCB的佔位空間,而且在-15℃的溫度下也沒有問題。好的,問題就這麼解決了。如今,我也更加關注性能隨溫度降低的情況。 (原文刊登於EDN美國版,參考連結:Glossing over lossy capacitors,由趙明燦編譯。)

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