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線性穩(wěn)壓器與開關(guān)穩(wěn)壓器

發(fā)布時間:2023-05-26 責任編輯:lina

【導(dǎo)讀】每個新的電子設(shè)備都需要某種程度的功率調(diào)節(jié)。無論新產(chǎn)品是依靠電池,外部電源還是交流電源運行,都需要為新系統(tǒng)設(shè)計一種調(diào)節(jié)策略。這可能涉及多個功率調(diào)節(jié)電路,通常帶有反饋以提供高效功率轉(zhuǎn)換。您可能需要各種支持組件和功能,以幫助您調(diào)節(jié)功率輸出,尤其是在系統(tǒng)以高功率運行時。


每個新的電子設(shè)備都需要某種程度的功率調(diào)節(jié)。無論新產(chǎn)品是依靠電池,外部電源還是交流電源運行,都需要為新系統(tǒng)設(shè)計一種調(diào)節(jié)策略。這可能涉及多個功率調(diào)節(jié)電路,通常帶有反饋以提供高效功率轉(zhuǎn)換。您可能需要各種支持組件和功能,以幫助您調(diào)節(jié)功率輸出,尤其是在系統(tǒng)以高功率運行時。

從用于CPU和GPU的VRM到簡單的線性DC穩(wěn)壓器的所有內(nèi)容都需要在布局之前進行一定程度的評估。在創(chuàng)建布局之前,應(yīng)對穩(wěn)壓器電路執(zhí)行一些基本仿真。這是在穩(wěn)壓器電路仿真步驟中要注意的內(nèi)容,以及如何發(fā)現(xiàn)電路設(shè)計問題。

穩(wěn)壓器電路拓撲將確定設(shè)備的功能并定義組件在系統(tǒng)中的放置位置。每種類型的穩(wěn)壓器電路類型和拓撲結(jié)構(gòu)都有不同的優(yōu)點和缺點。在開始模擬穩(wěn)壓器電路之前,您需要確定所需的穩(wěn)壓器類型,拓撲以及保持高轉(zhuǎn)換效率的穩(wěn)定電源所需的任何其他功能。

穩(wěn)壓器類型

在電子系統(tǒng)中可以找到兩種基本類型的穩(wěn)壓器:

線性穩(wěn)壓器。這些調(diào)節(jié)器使用線性電阻元件(例如電位計)或以線性方式工作的非線性元件(例如MOSFET)來提供穩(wěn)定的電壓輸出。線性穩(wěn)壓器的常見類型是串聯(lián),并聯(lián)和低壓降(LDO)。這些調(diào)節(jié)器的效率可能在60%至80%之間。

開關(guān)穩(wěn)壓器。這些穩(wěn)壓器使用帶有放電電抗元件的開關(guān)FET,以根據(jù)特定應(yīng)用的需要對輸出電壓進行升壓(升壓轉(zhuǎn)換器)或降壓(降壓轉(zhuǎn)換器)。這些穩(wěn)壓器提供高效的DC-DC電源轉(zhuǎn)換,效率輕松超過90%。用于GPU或CPU的VRM是開關(guān)調(diào)節(jié)器的一種常見類型。

盡管這些不同類型的穩(wěn)壓器電路設(shè)計提供不同的效率并需要不同的組件,但它們可以一起用于多級穩(wěn)壓器策略中。與單獨使用線性穩(wěn)壓器電路時相比,這種類型的布置可以提供更高的效率電源轉(zhuǎn)換,并且允許設(shè)計人員為以不同電壓運行的多個電路塊提供電源。

線性穩(wěn)壓器與開關(guān)穩(wěn)壓器

線性穩(wěn)壓器簡單的類型是并聯(lián)穩(wěn)壓器。該穩(wěn)壓器電路使用齊納二極管在負載的低端和輸出的高端之間提供反饋,從而提供穩(wěn)定的功率輸出。盡管在穩(wěn)壓器的高端使用了雙極型晶體管或MOSFET來提供穩(wěn)定的輸出,但是串聯(lián)穩(wěn)壓器是這種情況的變體。晶體管的基極/柵極在反饋環(huán)路中連接至齊納二極管,然后將基極/柵極電流調(diào)制為穩(wěn)定值。


線性穩(wěn)壓器與開關(guān)穩(wěn)壓器
三種常見的線性電壓電路圖:(左)并聯(lián),(中心)系列和(右)LDO

開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計具有降壓,升壓或降壓-升壓拓撲。這些電路的共同主題是使用開關(guān)晶體管將輸出電壓和電流調(diào)節(jié)到特定水平。這需要為晶體管提供PWM信號以調(diào)制輸出電流。

開關(guān)穩(wěn)壓器和復(fù)雜的線性穩(wěn)壓器通常將反饋回路作為調(diào)節(jié)策略的一部分。對于LDO,反饋環(huán)路由一個硅帶隙基準電壓源和一個運算放大器(在LDO電路圖中稱為誤差放大器)組成。對于開關(guān)穩(wěn)壓器,反饋環(huán)路和控制策略可以像控制PWM信號的ADC和MCU一樣簡單,或者針對更高功率應(yīng)用的可編程感應(yīng)放大器一樣簡單。

在穩(wěn)壓器電路中,反饋不僅僅提供增益以達到所需的輸出功率。如果輸出電壓和電流開始偏離期望值,則還應(yīng)控制調(diào)節(jié)器。大功率開關(guān)穩(wěn)壓器的常見策略是使用感測放大器和ADC來量化輸出電壓。然后,可以將其與已編程的MCU配合使用,以調(diào)節(jié)PWM信號的占空比,從而調(diào)制開關(guān)FET。

在模擬中,除非您使用有源組件,否則通常不需要直接檢查反饋回路中發(fā)生的情況。此處的關(guān)鍵是檢查通過反饋回路的電壓/電流是否不超過組件規(guī)格。電流檢測放大器(在開關(guān)穩(wěn)壓器中)或誤差放大器(在LDO中)之類的組件將具有額定值,無法超過。您應(yīng)該將這些額定值與反饋環(huán)路中的仿真電壓/電流進行比較,并在設(shè)計中應(yīng)用適當?shù)陌踩6取?br style="padding: 0px; margin: 0px auto;"/>
進行這些比較就像使用直流掃描一樣簡單,并檢查輸入電壓何時在穩(wěn)壓器電路的組件上施加了不可接受的負載。如果沒有達到您要使用的DC電壓的值,則您選擇的組件在運行期間可能很安全。

對于將要使用交流電源運行的更復(fù)雜的功率傳輸和調(diào)節(jié)系統(tǒng),可能需要功率因數(shù)校正(PFC)電路,尤其是在使用開關(guān)調(diào)節(jié)器時。該附加電路放置在整流器之后,以平滑來自輸入的升壓交流電。如果流入開關(guān)調(diào)節(jié)器級的電流具有不可接受的高總諧波失真(THD),則根據(jù)IEC 61000-3標準,您需要在輸入上使用PFC電路。


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