調整輸出電壓的注意事項

電源轉換器的應用分別有儲能設備、電動車、鐵道和工業4.0等等，各種應用的電源轉換器操作條件與電壓需求也不相同。本文介紹了調整輸出電壓的原因、如何使用外部電路來調整輸出電壓、調整範圍會受那些限制。

 

緒論

劇烈變化的環境或不適當的操作下，輸出電壓值可能不會穩定於設計位準，應用上的難題在於輸出電壓變化範圍多大且會不會對元件造成毀壞，以及輸出電壓如何才能符合任何應用需求，因此電源轉換器的調整輸出電壓功能是必要的。

一般而言，電源轉換器具有指定規格的輸出電壓值，並且透過圖1的Trim腳位能讓使用者任意調整輸出電壓於±10%或更小的範圍。

提供一個簡單的方式讓使用者可以透過外加電阻，以滿足系統電源的需求，接下來會一一介紹調整方式與限制條件。

 

調整輸出電壓的原因

電源轉換器輸出電壓進行少量調整的話，大都是因為以下三種原因:

• 不同的應用需求與環境

對於風力發電系統，發電機內部電源轉換器的輸出電壓及頻率會隨著不同風速而改變；對於工業4.0，傳感器需要高精準度的供應電壓，因此，使用者可以針對不同應用選擇輸出電壓位準。

• 後端電路的影響

即使操作於相同應用，電源轉換器的負載電路也可能有所不同，例如電源轉換器輸出端至負載端之間因為導線的距離過長，兩端之間的線阻(Rline)過大而造成的電壓降影響整體系統的效能。因此，直接適度微調電源轉換器的輸出電壓，以克服導線或是連接點所產生的效率損失，如圖2所示。

另一種情況是電源轉換器輸出端加上二極體(Din)以防止來自後端電路的逆向電流衝擊，因此輸出電壓需上調一個二極體的順向偏壓，電壓值約0.3至0.7伏特，以維持系統效能。

• 多樣化的輸出電壓

 

另一種情況是應用需要多樣化的輸出電壓，應用需求並非標準的輸出電壓，例如圖4的兩個電源模組輸出電壓分別是5.4V和13V，並不是常見的5V和12V。因此，直接改變電源轉換器而得到所需輸出電壓是最有效的方法。

 

調整輸出電壓方法

介紹一種微調輸出電壓的方式，此是透過改變迴授網路中的阻抗元件值，也就是調整迴授網路的比例因子。電源轉換器為迴授節點新增一個調整腳位(Trim)，當負載電流從輕負載至重負載或者輸入電壓從低電壓到高電壓時，使用者可以在調整腳位與輸出電壓腳位之間外加高阻抗電阻，藉由改變高阻抗電阻值，以達到輸出電壓±10%的調整範圍。

假設負輸出腳位(Vout-)接至地，而負輸出腳位和調整腳位兩端外加一個上調電阻(Ru)，如圖5所示。

根據克希荷夫電路定律，可以推導輸出電壓與各個電阻間關係式:

經由運算結果出:

已知想要的上調輸出電壓值，再從已知內部阻抗R1-R3和參考電壓Vref數值，透過式(2)反推外加電阻Ru。

另外，如果將正輸出腳位和調整腳位兩端外加一個電阻(Rd)，下調輸出電壓的架構圖與等效電路如圖6。

根據克希荷夫電路定律，可以推導輸出電壓與各個電阻間關係式:

經由運算結果出:

由式(4)得出，從已知內部阻抗R1-R3和參考電壓Vref數值，從想要的輸出電壓，反推出外加電阻Rd。

 

輸出電壓調整限制

對於有調整腳位功能的電源轉換器，可以利用電阻器對輸出電壓進行固定範圍的調節，一般調節範圍為±10%，一旦使用者將輸出電壓調整超過±10%，勢必影響電源轉換器效能。常見的輸出電壓調整範圍的限制因素包括

(1)工作週期範圍

控制迴路設計限制著工作週期最小值和最大值，一旦輸出電壓改變過大，控制迴路也沒辦法提供適當的工作週期，輸出電壓不會穩定於規格範圍，將存在一個誤差量。

假若外加電阻值與輸出電壓均持續超出安全範圍，代表分別影響閉迴路控制的迴授因子和直流增益，從而提供較差的頻率響應，甚至造成系統震盪。

(2)元件耐壓大小

轉換器內部功率開關元件最大跨壓受到輸出電壓影響，例如返馳式電源轉換器的一次側開關元件的功率開關元件耐壓必需大於汲源極電壓，而汲源極電壓為:

V_in : 輸入電壓 ;  

V_out : 輸出電壓 ;

n : 一次側與二次側的匝數比

          因此，功率開關元件的跨壓會隨著輸出電壓值而成正比地變化，因此以輸出電壓的最大值來挑選功率元件耐壓上限。

 

實作結果

確認返馳式電源轉換器的輸出電壓範圍與外加電阻關係。給予轉換器規格為輸入電壓48Vdc，未調整的穩定輸出電壓12Vdc，而負載電流固定2A的情況下，上/下調整輸出電壓每增減1%做詳細記錄，記錄電源轉換器的輸出電壓、工作週期以及上/下調整的電阻值。

實際量測輸出電壓+1%到+10%時的上調電阻值，將上調電阻值為橫軸，輸出電壓為縱軸表示。

 

實際量測輸出電壓-1%到-10%時的下調電阻值，將下調電阻值為橫軸，輸出電壓為縱軸表示。

另外，實作輸出電壓從-10%到+10%時，觀察工作週期的範圍。從實驗結果得知改變上/下調整電阻不僅得到想要的輸出電壓且工作週期變化的線性度較佳。工作週期只要改變2.8%就可以實現輸出電壓從-10%到+10%範圍。

 

結論

調整輸出電壓的功能對於許多應用上提供優勢，但也受到工作週期、元件耐壓和系統穩定度的限制。透過電阻方程式來依照需求去選擇最適當的電阻值，以確保轉換器的正常運作。

 

 

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