摘要：电源电路具有各种方式和变化形态。本次的基础讲座主要介绍作为电源电路最为常见的、将直流电压转换为另一直流电压的DC/DC转换器。第1讲中我们将就具有不同种类的电源电路，着眼于输入与输出的关系尝试着进行分类。

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电源电路具有各种方式和变化形态。本次的基础讲座主要介绍作为电源电路最为常见的、将直流电压转换为另一直流电压的DC/DC转换器。第1讲中我们将就具有不同种类的电源电路，着眼于输入与输出的关系尝试着进行分类。

要使构成设备的电子电路或半导体元器件正常动作，必须稳定地供给由规格确定的电压和电流。发挥该作用的则是电源电路。我们周围的智能手机的AC适配器(充电器)也是一种电源电路。当然，智能手机内部也安装有许多电源电路，供给处理器、存储器和显示器元件所需的电压和电流(图1)。

图1. 用于智能手机的电源电路示例

电源电路透过输出来看大致区分为两种。一般来说，我们将输出为交流的电源电路称作“逆变器”，而将输出为直流的电源电路称作“转换器”。

我们将把直流转换为单相交流或者三相交流的电路称作逆变器(Inverter)。此外，有时也会将某一频率的交流转换为另一频率的交流的电路包含在逆变器中(严格说来，由于将某一频率的交流暂时转换为直流，将该直流转换为另一频率的交流，因而可以说是由转换器＋逆变器构成的)。

逆变器最得到使用的则是马达控制领域。这是因为它具有这样的优点，即与ON/OFF那样的简单控制相比，通过改变用于驱动马达的交流频率来对旋转进行细致控制就能够达到节能等目的。逆变器还被安装在混合动力车和电动汽车上，发挥着将大电容电池所输出的直流转换为主马达的驱动所需的三相交流的作用。

我们将把某一直流电压转换为另一直流电压的电路、或把交流转换为直流的电路称作转换器(Converter)。有时也会将前者叫做“DC/DC转换器”或“DC-DC转换器”，将后者叫做“AC/DC转换器”或“AC-DC转换器”。

DC/DC转换器的目的在于供给微机和存储器元件等所需的低电压，被安装在以电子设备和家电产品为首的众多设备上。

AC/DC转换器中我们所熟悉的则是被用于笔记本电脑和智能手机充电的AC适配器。作为电路的构成，可以将AC/DC转换器作为把DC/DC转换器组合到由二极管等构成的整流器上而成的设备来进行处理。

接下来让我们将就电源电路中作为基本的DC/DC转换器稍许详细地进行介绍。刚才我们说明了电源大致上区分为两种，即包括“逆变器”和“转换器”，DC/DC转换器也一样大致上包括两种类型。

线性稳压器是根据电阻分压的原理，在与负荷之间将输入电压进行分压而获得输出电压的电源电路(图2)。但是，若以通常的电阻元件构成则分压比会被固定起来，输出电压也会在输入电压的变动或负荷变动时发生变化，因而将晶体管或MOSFET作为可变电阻器来使用并进行控制，以便在监控输出电压的同时使得输出电压保持恒定。

线性稳压器的负荷电流会直接流向分压电阻(晶体管或者MOSFET)，因而通过电阻的两端电压×负荷电流求得的功率会成为损失，变为热而散失。因此，与后述的开关式稳压器相比，具有能量转换效率低的缺点。

一方面，线性稳压器具有其输出脉动(像波纹那样微小的变动)少，且电磁干扰等放射少的特点，因而被作为处理极为微弱信号的放大器段等嫌忌干扰的电路的电源来使用。此外，与开关式稳压器相比，基本上能够以较低的成本进行安装。

图2. 线性稳压器的动作原理

分压电路由可变电阻和负荷电阻构成，向负荷供给经过分压后的电压。电流流向分压电阻，因而会发生损失(热损)。

开关式稳压器，是通过开关元件(功率元器件)来使输入电压ON/OFF以形成脉冲波，最后在输出段进行平滑化以得到输出电压的电源电路(图3)。改变ON和OFF的比率来进行输出电压的控制则是其基本原理。

图3. 开关式稳压器的动作原理

通过开关元件来进行输入电压的转换以形成脉冲波形，在后段进行平滑化以得到输出电压。能够以ON和OFF的时间比来进行输出电压的控制则是其关键所在。随着开关动作而产生电磁干扰(EMI噪声)则是其缺点。

开关式稳压器的自由度极高，已被设计出各种电路构成并投入实用。若只着眼于输入电压和输出电压的关系，则可如下所示基本上将开关式稳压器分类为3类。

降圧型：
系输出电压比输入电压低的电源电路，作为开关式稳压器最为常见。这种类型也被称作buck（降压）型。

升压型：
系将电感器置于输入侧，通过在开关元件处于ON时将能量蓄积于电感器内，在开关元件处于OFF时使其从电感器释放能量，得到比输入电压高的输出电压的电源电路。它被作为用于驱动需要高电压的液晶面板或LED而使用。

升降压型：
系既对应降压动作又对应升压动作的电源电路，主要被用于输入电压大幅变动的用途。在基本的升降压电路，输出的极性相反，输出负电压。另外，极性颠倒的原理稍微有点复杂，以后我们将另找机会单独进行说明。人们也设计出了解决极性的课题而能够得到正电压的电路。

开关式稳压器与线性稳压器相比能量的转换效率高，在使用最新的控制器IC时，根据动作条件有时也会达到98％前后。
一方面，由于将输入暂时转换为脉冲状的波形，因而面临着会产生电磁干扰(EMI噪声)或接地干扰等原理方面的课题。此外，还有电路设计复杂的缺点。

表1. 线性稳压器与开关式稳压器的比较

下面就电子电路中不可或缺的开关式稳压器详细地进行说明。

小结

图4．基于电源电路的输入或输出的分类

· 我们将输出交流的电路称为“逆变器”，将输出直流的电源电路称为“转换器

· 开关式稳压器则是转换器中被经常使用的电路方式

· 开关式稳压器包括降压、升压、升降压等类型

· 开关式稳压器具有功率的转换效率大体上高的特点，但同时面临着会产生电磁干扰等方面的课题

在电源电路的基础知识(1)中，我们着眼于电源的输入或输出对电源电路进行了分类，本次则将就其中最常使用的开关式稳压器，以降压型开关式稳压器为例，稍许详细地说明电路的构成和动作原理。

智能手机、计算机和外围设备、数字家电、汽车(ECU：电子控制单元)等众多的设备或装置上所安装的稳压器则是开关式稳压器。开关式稳压器是将某一直流电压转换为另一直流电压的一种DC/DC转换器，具有以下所示的特点。

· 除了降压(输入电压＞输出电压)电源外，也可构成升压电源(输入电压＜输出电压)或升降压电源

· 能量的转换效率通常高达80％至90％，电源电路中产生的损失(＝发热)少

· 也可实现近年来的微机或AI处理器所需的1.0V以下(辅助电压)的低电压输出和100A以上的大电流输出

· 控制器IC和开关式稳压器模块等市面出售的解决方案有多种多样

降压型开关式稳压器的基本电路主要由以下所示的元件构成。

图1. 降压型开关式稳压器的基本电路

接下来我们将就动作概要进行说明。

开关式稳压器的动作大致上是由两种状态构成的。

首先是开关元件SW1处于ON，开关元件SW2处于OFF的状态。此时，图1的等效电路如图2(a)所示。此时，能量被蓄积在输出电感器L中。

图2(a). 当SW1打开而SW2关闭时

其次是开关元件SW1处于OFF，开关元件SW2处于ON的状态。此时的等效电路如图2(b)所示。输入电压Vin被从电路断开，取而代之，输出电感器L则释放出先前蓄积的能量以供向负荷。

图2(b). 当SW1断开而SW2接通时

开关式稳压器通过交替地反复这两个周期，来将输入电压Vin转换为规定的电压。相对于开关元件SW1的ON/OFF，流经电感器L的电流为图3所示的关系。输出电压Vout由于被输出电容器Cout平滑化，因而基本上保持恒定(严格地说存在着微小的变动)。

输出电压Vout是由开关元件SW1的ON期间和OFF期间的比来决定的，假设各自的元件中没有电阻成分等损失，则可通过下式来求得。

图3. 开关元件SW1的ON/OFF与
电感器L电流的关系

这里，将ON期间÷(ON期间＋OFF期间)的项称作工作周期或占空比。譬如，输入电压Vin为12V，要得到6V的输出电压Vout, 工作周期为6÷12＝0.5，因而只要将开关元件SW1在50％的期间控制为ON就可以了。

要构成实际的开关式稳压器，除了上述基本电路外，还需要用来检测输出电压的偏移或变动的误差放大器，用来决定开关频率的振荡电路，用来向开关元件发出ON/OFF信号的脉冲宽度调制(PWM: Pulse Width Modulation)电路，用来驱动开关元件的栅极驱动器等(图4)。

主要的动作如下所示
首先，使用放大器电路来对输出电压Vout和基准电压Vref进行比较。其结果由PWM控制电路给定，当输出电压Vout低于规定的电压时延长开关元件SW1的ON期间以提高输出电压，相反地，当输出电压Vout高于规定的电压时则缩短开关元件SW2的ON期间以降低输出电压Vout，使得输出电压保持恒定。

图4. 构成开关式稳压器的其他电路

下面就图4所示的放大器、振荡电路、栅极驱动器再稍许详细地进行说明。

· 放大器（误差放大器）

放大器因检测基准电压Vref与输出电压Vout之差而被称作“误差放大器(Error amplifier)”。基准电压Vref保持恒定，因而输出电压Vout是由作为分压电路的R1与R2之比来决定的。也即，在输出电压保持恒定的状态下，下式所示的关系成立。

开关式稳压器虽然像开头部分所述那样具有各种优点，但另一方面也面临着几个课题。

通过图4所示的误差放大器，会形成以输出电压Vout为对象的反馈环路，而若没有适当地设计反馈环路，恐会导致其动作不稳定，或引起振荡。要保证稳定的动作，必须适当地设计反馈环路的带宽和相位余量，其麻烦程度出人意料。
但是，只要使用市面出售的控制器IC等，一边参考数据表上的信息一边组合电路，通常没有问题。

如图2的(a)和(b)所示，在开关元件SW1的ON期间和OFF期间流经电路的电流大幅度变化。虽然会从电流环路产生磁场，但是电流切换也意味着磁场强度的切换。因此，原理上会同步于开关周期而产生电磁干扰，若不采取适当的干扰对策，则恐会影响到其他电路。

下面我们将以此电磁干扰的课题和对策为中心，就开关电源的设计进行解说。

广泛应用于数字设备和家用电器等中的开关电源也可以通过组合运算放大器等分立零部件(单个零部件)来构成，但从头设计需要大量的时间进行工作分析和验证，零部件的数量也会增加。也很难安装短路时的电流限制等各种保护功能。

因此，通常使用具有集成功能并保证工作的市售开关电源IC(表1)。除了供应给系统的电压(电源的输入电压)和负载电路所需的电压和电流(电源的输出电压和输出电流)的基本规格外，还要在立足于预期的输入电压变动幅度、负载电路的消耗电流的变动幅度、允许的输出电压误差、环境温度范围等所需规格的同时，利用供应商网站上提供的零部件选择功能来选定最佳的电源IC。

当然，电路尺寸、成本、转换效率(发热)、供应商采用实绩等也是一个重要的因素。

主要的外设零部件

输入输出电容器、输出电感器、电阻器、MOSFET、(MOSFET驱动器)

输入输出电容器、输出电感器、电阻器

若干的电容器、电阻器

特点

由于可选择MOSFET，适合于输出电流比较大的电源电路

几乎不需要设计作业。也出现100A级的高输出型。零部件成本略微偏高

选定开关电源IC后，在参考开关电源IC的应用说明中所描述的推荐常数的同时，继续选定无源零部件(电阻器/电容器/电感器)。其中两个最重要的是输出电容器(图1的Cout)和输出电感器(图1的L)。

图1. 由开关稳压器IC构成的开关电源电路模式图

输出电容器的选定

选定输出电容器时应该注意的一点是电容特性和ESR(等效串联电阻)。

譬如，常用于开关电源的MLCC（多层陶瓷电容器），众所周知会由于温度和DC偏压而导致电容下降(图2)。

图2. 电容随DC偏压和温度而变化的MLCC特性示例

其中，温度特性通常用EIA标准的代码来表示。“X5R”产品的电容在高温下也会有轻微的下降，而“Y5V”产品的电容会有明显的下降，所以需要注意。需要事先考虑输出电容器的环境温度在工作过程中会上升多少，并选择合适的电容器。
此外，由于高介电常数系的MLCC的电容在施加直流电压时有显著下降的趋势，如果仅通过标称电容来选择电容值，则有可能在实际使用条件下无法获得期望的特性。有关这些课题，也请结合参照技术信息 “用导电性聚合物电容器解决MLCC的课题”。

理想情况下，电容器应该只有静电电容(C)，但实际的电容器除了C分量外还包括等效串联电阻(ESR)、等效串联电感(ESL)、绝缘电阻(IR)(图3)。

图3. 理想的电容器和实际的电容器的等效电路

其中作为电阻分量的ESR是导致电压降的原因，当负载电流继续变动时，电压降也会随之变动，到达负载的电压下降。此外，如果ESR较高，则因开关而产生纹波电流的吸收效果将会下降，电容器的寿命将会因ESR和纹波电流产生的热量而缩短。因此，需要注意的是，ESR高的电容器的使用条件受到了极大的限制。
一般来说，钽电容器和铝电解电容器是ESR高的电容器，而MLCC和导电性聚合物电容器则是ESR低的电容器。
有关电容器的ESR，也请参照技术信息 “电容器的基础知识(1)～机制、使用方法、特性～” 和 “开关电源的MLCC输入/输出电容器向混合电容器置换的事例” 。

1.电容特性

2.ESR(等效串联电阻)

输出电感器的选定

在选定输出电感器时，要注意供应商列出的标称电感。标称电感是在一定频率下测量的值，一般包含±30%左右的误差。在作为开关电源的输出电感使用时，必须通过数据表的特性图来确认在开关频率处可以得到所需的电感。
此外，当直流电流叠加时，电感器的电感变小。电感比初始值下降-30%的电流用“额定电流：直流叠加”这样的规格项来表示(表2)。详情请参照技术信息 “电感器(线圈)的基础知识(2) ～特性和种类～”。
由于电感的特性与电容器、电阻的特性相比很难直观地理解，所以我们建议用户参照供应商的技术信息或进行咨询来选择适合设计电源的电感器。

表2. 电感器的技术规格项目例

开关电源电路设计中成为课题的是噪声。正如在 “电源电路的基础知识(2)” 中说明的那样，通过开关元件在开关频率下反复通、断，形成一个电流被大幅度切换的回路(图4)，在原理上会产生电磁噪声和接地噪声（接地弹跳）。

图4. 原理上在开关电源中存在的电流回路的模式图

当电源中产生的噪声叠加在自身的系统上时，工作会变得不稳定或引起异常工作。这就是所谓的“自体中毒”现象。此外，如果噪声辐射到外面，会影响到其他设备。譬如，在汽车中，根据噪声所包含的频率，噪声可能混合在AM无线电中(在日本是526.5kHz到1606.5kHz)。

因此，在电源电路设计中，为了满足家电、汽车等各个领域规定的各种EMI(Electro Magnetic Interference 电磁干扰)标准，噪声的抑制和对策是必不可少的。

在设计的上游工序中，尽量采取防止噪声的对策可以降低成本，节省时间。具体来说，设法进行基板设计很重要，如使包括输入电容器在内的电流回路的面积尽可能小，使其他信号远离回路，使电路接地尽可能“大面积图案”(或使用多层基板)，适当地配置旁路电容器等滤波器元件。最近，也使用一种利用电磁场分析工具在基板上使得电流和阻抗可视化的手法。

此外，通过改进封装来抑制了噪声的开关电源IC也已经上市，因此选择这样的解决方案也是一个好主意。

上面列出了设计开关电源时的一般步骤和典型的注意事项。实际上，需要在考虑更多条件的同时继续进行设计作业。也请参考在过去的产品中具有实绩的电源电路和电源IC供应商提供的参考电路等。

下面我们将介绍用来控制汽车的ECU(Electronic Control Unit：电子控制单元)的电源。

以下是电源电路基础知识的最后一部分，我们将介绍汽车ECU(电子控制单元)电源电路设计时主要的注意事项。

汽车的电子化和电动化日新月异。
除了以发动机和变速器为对象的动力系统控制、以悬架和刹闸为对象的车辆控制、以门锁和仪表等为对象的车身控制、汽车导航系统和远程信息处理等信息通信控制外，近年来ADAS(先进驾驶辅助系统)也得到了普及。目前，据说每辆汽车配备了几十个ECU，预计今后还会进一步增加。

ECU的大致构成如图1所示。具体细节取决于所负责的功能，但大致上是由用来处理来自传感器等数字和模拟信号的输入接口、用来驱动传动装置和灯等的输出接口、用来与其他ECU交换信息的CAN总线等的总线接口、用来负责控制的微机或专用处理器、用来存储控制程序和数据的存储器、以及电源电路和保护元件构成。

图1. ECU的大致构成

让我们关注一下其中的电源部分。电源的作用是将铅电池输出的+12V直流电压转换成内部微机和存储器所需的1.0V～3.3V范围内的低压。由于输入电压＞输出电压，因而适用于 “二、开关式稳压器的动作” 和 “三、开关稳压器的设计步骤” 中说明的降压型开关电源。

但是，由于必须满足汽车专用的要求，因而无法原封不动地挪用面向工业设备和民用设备的电源电路。让我们来看看一些设计要点。

电池的+12V系统，也就是ECU的输入电压，看似比较稳定，但实际上会发生相当大的变动。典型的动作是冷启动（cold crank）和负载突降。此外，还需要采取反接保护对策。

冷启动（cold crank）

系在电池或发动机处于低温状态下，驱动消耗大量电流的启动电机时，+12V系统的电压暂时降至+3V左右的一种现象(图2)。

图2. 将+12V电压降做成了模型的、冷启动测试曲线示例。

如果降压型开关电源的输入电压低于输出电压，则将无法维持调压操作。譬如，在因冷启动而导致输入电压降至+3.0V时，即使+1.8V输出或+2.5V输出的电源电路继续工作，+3.3V输出的降压电源电路也将无法继续工作。

有两种可行的对策。一种方法是当+12V系统低于规定的阈值时，包括电源电路在内暂时停止ECU的工作。该方法适用于汽车音响ECU等不直接影响行驶的ECU。另一种方法是采用升压型开关电源，而不是降压型开关电源，这样即使在+12V系统下降的情况下也可以继续进行ECU的工作。

负载突降

在交流发电机发电中发生电池接线断开或接触不良时，+12V系统的电压可能达到几十伏。这种现象称为负载突降。

负载突降电压据说在某些情况下达到约40V至100V以上。因此，必须在ECU的电源电路的输入侧(一次侧)安装一个用来箝制过电压的“ZNR”浪涌吸收器等保护元件。当然，仅假设ECU的输入电容器等的耐受电压为+12V是不够的，需要有一个高于保护元件钳位电压的额定值(图3)。

图3. 负载突降现象和保护元件ZNR的作用

反接保护

如果在维护过程中由于作业失误，电池正负极线缆连接反了，则有可能向ECU施加-12V，需要采取保护措施来防止这种反接。这种情况在普通的设备上是不可能的，但是既然我们不知道由谁来进行汽车维护，发生这种事态的可能性也不是零。

肖特基势垒二极管通常用于反接保护。但由于有0.4V左右的正向电压，因而电池电压实际上会降至+11.6V左右，并产生因应电流的损耗，还会导致发热。因此，最近还出现了专用于保护的“理想二极管”元件等，这种元件使用MOSFET来使正向电压接近零。

ECU的电源设计中还需要应对各种环境条件。

工作温度范围

由于汽车从极端寒冷的地区到沙漠地区在世界各地使用，因而必须在低温侧和高温侧有相当大的余量。

车载元件的温度范围采用了AEC(Automotive Electronics Council 汽车电子委员会)制定的标准，并规定了各自的等级(图4)。

图4. AEC规定的可靠性试验标准和等级

安装在最高温的发动机室的ECU需要选择0级或1级零部件。另一方面，我们认为，即使安装在温度上升不那么高的客舱或后备箱中的ECU由3级零部件构成也不成问题。

另外，正如在 “三、开关稳压器的设计步骤” 中也说明的那样，需要预先确认电容器和电感器等无源零部件在整个环境温度范围内可以获得所需的特性。

对AM无线电的干扰

正如在“三、开关稳压器的设计步骤” 中也说明的那样，开关电源电路主要在电流通/断的回路(热回路)中产生EMI噪声。ECU基板已被封装在还起到屏蔽作用的金属外壳中，但考虑到来自连接器部等的泄漏，需要在电路阶段尽可能地予以抑制。

尤其成为课题的是对AM无线电(中波波段)的干扰。顾名思义，它是振幅调制（Amplitude modulation），所以如果噪声叠加，则会原封不动地被作为噪声播放。在日本，526.5kHz至1606.5kHz已被分配给AM无线电，因此最好将开关频率设定为1.8MHz和2.0MHz等频率。

作为对无线电的干扰等同一车辆内的无线电干扰测试标准，应用由IEC(International Electrotechnical Commission 国际电工委员会)制定的CISPR 25。

长期可靠性及长期供给性

汽车有时要使用20年以上。因此，无论是初始故障还是意外故障，构成ECU的每个零部件都要求具有极高的品质。

此外，考虑到汽车的长期维护，长期供给的承诺在选择零部件中也很重要。还需要注意无源元件特性的长期劣化。

除了以上几点外，随着电子化的发展，ECU的安装空间也成了一个课题，因此除了必须推进电源电路的小型化外，为了延长电动汽车的可行驶距离，需要满足各种要求，如必须尽可能抑制电源电路中的损耗等。

然而，汽车电子化的进程必将日益加快，预计ECU市场将继续显著增长。

来源：优学教育