【導(dǎo)讀】本文介紹線性穩(wěn)壓器和開(kāi)關(guān)模式電源(SMPS)的基本概念。主要面向不太熟悉電源設(shè)計(jì)和選擇的系統(tǒng)工程師。還介紹了線性穩(wěn)壓器和SMPS的基本工作原理并討論了每個(gè)解決方案的優(yōu)缺點(diǎn)。此外,以降壓轉(zhuǎn)換器為例進(jìn)一步說(shuō)明了開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)考慮因素。
簡(jiǎn)介
當(dāng)今的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要越來(lái)越多的供電軌和供電解決方案,負(fù)載范圍從備用電源的幾mA到ASIC穩(wěn)壓器的100A以上不等。為目標(biāo)應(yīng)用選擇合適的解決方案并滿足指定的性能要求至關(guān)重要,如高效率、緊密印刷電路板(PCB)空間、準(zhǔn)確的輸出電壓調(diào)節(jié)、快速瞬態(tài)響應(yīng)、低解決方案成本等。對(duì)于許多可能沒(méi)有強(qiáng)大電源技術(shù)背景的系統(tǒng)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō),電源管理設(shè)計(jì)工作變得越來(lái)越頻繁,越來(lái)越具有挑戰(zhàn)性。
電源轉(zhuǎn)換器從給定輸入電源為負(fù)載生成輸出電壓和電流。它需要在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)條件下滿足負(fù)載電壓或電流調(diào)節(jié)要求。還必須在組件出現(xiàn)故障時(shí)保護(hù)負(fù)載和系統(tǒng)。根據(jù)具體應(yīng)用,設(shè)計(jì)人員可選擇線性穩(wěn)壓器(LR)或開(kāi)關(guān)模式電源(SMPS)解決方案。為了更好地選擇解決方案,設(shè)計(jì)人員必須熟悉各種方法的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)和設(shè)計(jì)考慮因素。
本文重點(diǎn)關(guān)注非隔離電源應(yīng)用,并介紹其操作和設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)。
線性穩(wěn)壓器
線性穩(wěn)壓器的工作原理
我們先來(lái)舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子。在嵌入式系統(tǒng)中,前端電源提供一個(gè)12V總線供電軌。而在系統(tǒng)板上,運(yùn)算放大器需要3.3V供電電壓。產(chǎn)生3.3V電壓最簡(jiǎn)單的方式是對(duì)12V總線使用電阻分壓器,如圖1所示。效果好嗎?答案通常是否定的。在不同的工作條件下,運(yùn)算放大器的VCC引腳電流可能有所不同。如果使用固定電阻分壓器,IC VCC電壓會(huì)隨著負(fù)載的不同而不同。而且,12V總線輸入可能調(diào)節(jié)不佳。同一系統(tǒng)中可能有多個(gè)其他負(fù)載共用12V供電軌。由于總線阻抗,12V總線電壓隨總線負(fù)載條件而變化。因此,電阻分壓器無(wú)法向運(yùn)算放大器提供經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)的3.3V電壓,來(lái)確保正常運(yùn)行。因此,需要專用電壓調(diào)節(jié)環(huán)路。如圖2所示,反饋環(huán)路需要調(diào)節(jié)頂部電阻R1值,以便在VCC上動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)3.3V。
圖1.電阻分壓器從12V總線輸入生成3.3VDC
圖2.反饋環(huán)路調(diào)整串聯(lián)電阻R1值以調(diào)節(jié)3.3V
使用線性穩(wěn)壓器可實(shí)現(xiàn)這種可變電阻,如圖3所示。線性穩(wěn)壓器以線性模式操作雙極性或場(chǎng)效應(yīng)功率晶體管(FET)。因此,晶體管作為可變電阻與輸出負(fù)載串聯(lián)。為建立反饋環(huán)路,從概念上講,誤差放大器通過(guò)采樣電阻網(wǎng)絡(luò)RA和RB檢測(cè)直流輸出電壓,然后將反饋電壓VFB與基準(zhǔn)電壓VREF進(jìn)行比較。誤差放大器輸出電壓通過(guò)電流放大器驅(qū)動(dòng)串聯(lián)功率晶體管的基極。當(dāng)輸入VBUS電壓減小或負(fù)載電流增大時(shí),VCC輸出電壓下降。反饋電壓VFB也下降。因此,反饋誤差放大器和電流放大器產(chǎn)生更多的電流饋入晶體管Q1的基極。這就減少了壓降VCE,而恢復(fù)VCC輸出電壓,使VFB等于VREF。而另一方面,如果VCC輸出電壓增加,負(fù)反饋電路也會(huì)增加VCE,確保精確調(diào)節(jié)3.3V輸出??偠灾?,VO的任何變化都會(huì)被線性穩(wěn)壓器晶體管的VCE電壓吸收。因此,輸出電壓VCC始終保持恒定,并得到良好的調(diào)節(jié)。
圖3.線性穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)可變電阻以調(diào)節(jié)輸出電壓
為何使用線性穩(wěn)壓器?
很長(zhǎng)一段時(shí)間以來(lái),線性穩(wěn)壓器一直廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。在開(kāi)關(guān)模式電源自20世紀(jì)60年代問(wèn)世普及之前,線性穩(wěn)壓器始終是電源行業(yè)的基礎(chǔ)元件。即便是今天,線性穩(wěn)壓器仍然廣泛應(yīng)用于各種應(yīng)用領(lǐng)域。
除了使用簡(jiǎn)單,線性穩(wěn)壓器還具有其他性能優(yōu)勢(shì)。電源管理供應(yīng)商開(kāi)發(fā)了許多集成式線性穩(wěn)壓器。典型的集成式線性穩(wěn)壓器僅需VIN、VOUT、FB和可選GND引腳。圖4顯示了20多年前ADI公司開(kāi)發(fā)的典型3引腳線性穩(wěn)壓器LT1083。僅需1個(gè)輸入電容、1個(gè)輸出電容和2個(gè)反饋電阻即可設(shè)置輸出電壓。幾乎任何電氣工程師都可以使用這些簡(jiǎn)單的線性穩(wěn)壓器來(lái)設(shè)計(jì)電源。
圖4.集成式線性穩(wěn)壓器示例:只有3個(gè)引腳的7.5A線性穩(wěn)壓器
一個(gè)缺點(diǎn)——線性穩(wěn)壓器非常耗電
使用線性穩(wěn)壓器的一個(gè)主要缺點(diǎn)是其串聯(lián)晶體管Q1在線性模式下工作的功耗過(guò)高。如前所述,線性穩(wěn)壓器晶體管從概念上講是一個(gè)可變電阻。由于所有負(fù)載電流都必須通過(guò)串聯(lián)晶體管,其功耗為PLoss = (VIN – VO) •IO。在這種情況下,線性穩(wěn)壓器的效率可通過(guò)以下公式快速估算:
因此,在圖1的示例中,當(dāng)輸入為12V,輸出為3.3V時(shí),線性穩(wěn)壓器效率只有27.5%。在該例中,72.5%的輸入功率被浪費(fèi),并在穩(wěn)壓器中產(chǎn)生熱量。這意味著,晶體管必須具有散熱能力,以便在最大VIN和滿負(fù)載的最壞情況下處理功耗和散熱問(wèn)題。因此,線性穩(wěn)壓器及其散熱器的尺寸可能很大,特別是當(dāng)VO比VIN小很多時(shí)。圖5顯示線性穩(wěn)壓器的最大效率與VO/VIN比率成正比。
圖5.最大線性穩(wěn)壓器效率與VO/VIN比率
另一方面,如果VO接近VIN,則線性穩(wěn)壓器的效率很高。但是,線性穩(wěn)壓器(LR)還有一個(gè)限制,即VIN和VO之間的最小電壓差。LR中的晶體管必須在線性模式下工作。因此,雙極性晶體管的集電極到發(fā)射極或FET的漏極到源極之間需要一定程度的最小壓降。如果VO太接近VIN,LR可能就無(wú)法調(diào)節(jié)輸出電壓。能夠以低裕量(VIN – VO)工作的線性穩(wěn)壓器稱為低壓差穩(wěn)壓器(LDO)。
很明顯,線性穩(wěn)壓器或LDO只能提供降壓DC/DC轉(zhuǎn)換。在需要VO電壓比VIN電壓高,或需要從正VIN電壓獲得負(fù)VO電壓的應(yīng)用中,線性穩(wěn)壓器顯然不起作用。
均流線性穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)高功率[8]
對(duì)于需要更多功率的應(yīng)用,必須將穩(wěn)壓器單獨(dú)安裝在散熱器上以便散熱。在全表面貼裝系統(tǒng)中,這種做法不可行,因此功耗限制(例如1W)會(huì)限制輸出電流。遺憾的是,要直接并聯(lián)線性穩(wěn)壓器來(lái)分散產(chǎn)生的熱量并不容易。
用精密電流源替換圖3所示的基準(zhǔn)電壓,能夠直接并聯(lián)線性穩(wěn)壓器以分散電流負(fù)載,由此分散IC上消散的熱量。這樣就能夠在高輸出電流、全表面貼裝應(yīng)用中使用線性穩(wěn)壓器,在這些應(yīng)用中,電路板上的任何一個(gè)點(diǎn)都只能消散有限的熱量。
ADI公司的LT3080是首個(gè)可調(diào)線性穩(wěn)壓器,可并聯(lián)使用以增加電流。如圖6所示,其精密零TC 10µA內(nèi)部電流源連接到運(yùn)算放大器的非反相輸入。通過(guò)使用外部單電壓設(shè)置電阻RSET,可將線性穩(wěn)壓器的輸出電壓從0V調(diào)節(jié)到(VIN – VDROPOUT)。
圖6.具有精密電流源基準(zhǔn)的單電阻設(shè)置LDO LT3080
圖7顯示了并聯(lián)LT3080實(shí)現(xiàn)均流有多簡(jiǎn)單。只需將LT3080的SET引腳連接在一起,兩個(gè)穩(wěn)壓器的基準(zhǔn)電壓就相同。由于運(yùn)算放大器經(jīng)過(guò)精密調(diào)整,調(diào)整引腳和輸出之間的失調(diào)電壓小于2mV。在這種情況下,只需10mΩ鎮(zhèn)流電阻(小型外部電阻和PCB走線電阻之和)即可平衡負(fù)載電流,且均流超過(guò)80%。還需要更多功率?并聯(lián)5到10個(gè)設(shè)備也是合理的。
圖7.并聯(lián)兩個(gè)LT3080線性穩(wěn)壓器以增加輸出電流
更適合使用線性穩(wěn)壓器的應(yīng)用
在許多應(yīng)用中,線性穩(wěn)壓器或LDO可提供出色的開(kāi)關(guān)電源解決方案,包括:
1. 簡(jiǎn)單/低成本解決方案:線性穩(wěn)壓器或LDO解決方案簡(jiǎn)單易用,特別適用于熱應(yīng)力不太重要的具有低輸出電流的低功耗應(yīng)用。無(wú)需使用外部電源電感。
2. 低噪聲/低紋波應(yīng)用:對(duì)于噪聲敏感型應(yīng)用,如通信和射頻器件,盡可能減少電源噪聲非常重要。線性穩(wěn)壓器的輸出電壓紋波很低,因?yàn)椴粫?huì)頻繁開(kāi)關(guān)元件,但帶寬很高。因此,幾乎沒(méi)有EMI問(wèn)題。一些特殊的LDO(如ADI LT1761 LDO系列)在輸出端的噪聲電壓低至20μVRMS。SMPS幾乎無(wú)法達(dá)到這種低噪聲電平。即使采用極低ESR電容,SMPS通常也有1mV輸出紋波。
3. 快速瞬態(tài)應(yīng)用:線性穩(wěn)壓器反饋環(huán)路通常在內(nèi)部,因此無(wú)需外部補(bǔ)償。一般來(lái)說(shuō),線性穩(wěn)壓器的控制環(huán)路帶寬比SMPS更寬,瞬態(tài)響應(yīng)更快。
4. 低壓差應(yīng)用:對(duì)于輸出電壓接近輸入電壓的應(yīng)用,LDO可能比SMPS更高效。還有超低壓差LDO (VLDO),如ADI LTC1844、LT3020和LTC3025,其壓差為20mV至90mV,電流高達(dá)150mA。最小輸入電壓可低至0.9V。由于LR中沒(méi)有交流開(kāi)關(guān)損耗,因此LR或LDO的輕負(fù)載效率類似于其滿負(fù)載效率。由于交流開(kāi)關(guān)損耗,SMPS通常具有更低的輕負(fù)載效率。在輕負(fù)載效率同樣重要的電池供電應(yīng)用中,LDO提供的解決方案比SMPS更好。
綜上所述,設(shè)計(jì)人員使用線性穩(wěn)壓器或LDO是因?yàn)樗鼈兒?jiǎn)單、噪聲低、成本低、易于使用并提供快速瞬態(tài)響應(yīng)。如果VO接近VIN,LDO可能比SMPS更高效。
[未完待續(xù)]
參考資料
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