本文介紹線性穩(wěn)壓器和開關(guān)模式電源(SMPS)的基本概念。它面向可能不太熟悉電源設(shè)計(jì)和選擇的系統(tǒng)工程師。解釋了線性穩(wěn)壓器和SMPS的基本工作原理，并討論了每種解決方案的優(yōu)缺點(diǎn)。以降壓轉(zhuǎn)換器為例，進(jìn)一步說明開關(guān)穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)考慮因素。

介紹

當(dāng)今的設(shè)計(jì)要求電子系統(tǒng)中的電源軌和電源解決方案越來越多，負(fù)載范圍從備用電源的幾mA到ASIC穩(wěn)壓器的100A以上。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非常重要，例如高效率、緊湊的印刷電路板 (PCB) 空間、精確的輸出調(diào)節(jié)、快速瞬態(tài)響應(yīng)、低解決方案成本等。對于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來說，電源管理設(shè)計(jì)正成為一項(xiàng)越來越頻繁和更具挑戰(zhàn)性的任務(wù)，其中許多人可能沒有很強(qiáng)的電源背景。

電源轉(zhuǎn)換器從給定的輸入電源為負(fù)載產(chǎn)生輸出電壓和電流。它需要滿足穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)條件下的負(fù)載電壓或電流調(diào)節(jié)要求。它還必須在組件發(fā)生故障時保護(hù)負(fù)載和系統(tǒng)。根據(jù)具體應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員可以選擇線性穩(wěn)壓器 (LR) 或開關(guān)模式電源 (SMPS) 解決方案。為了做出解決方案的最佳選擇，設(shè)計(jì)人員必須熟悉每種方法的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)和設(shè)計(jì)問題。

本文重點(diǎn)介紹非隔離電源應(yīng)用，并介紹其工作和設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識。

線性穩(wěn)壓器

線性穩(wěn)壓器的工作原理

讓我們從一個簡單的例子開始。在嵌入式系統(tǒng)中，前端電源提供12V總線軌。在系統(tǒng)板上，需要3.3V電壓為運(yùn)算放大器(op amp)供電。產(chǎn)生3.3V電壓的最簡單方法是使用12V總線上的電阻分壓器，如圖1所示。效果好嗎?答案通常是否定的。運(yùn)算放大器的 V抄送引腳電流在不同的工作條件下可能會有所不同。如果使用固定電阻分壓器，則 IC V抄送電壓隨負(fù)載而變化。此外，12V總線輸入可能無法很好地調(diào)節(jié)。同一系統(tǒng)中可能有許多其他負(fù)載共享 12V 電源軌。由于總線阻抗，12V總線電壓隨總線負(fù)載條件而變化。因此，電阻分壓器無法為運(yùn)算放大器提供穩(wěn)定的3.3V電壓以確保其正常工作。因此，需要一個專用的電壓調(diào)節(jié)環(huán)路。如圖2所示，反饋環(huán)路需要調(diào)整頂部電阻R1值，以動態(tài)調(diào)節(jié)3.3V的導(dǎo)通電壓抄送.

圖1.電阻分壓器產(chǎn)生 3.3V直流從 12V 總線輸入

圖2.反饋環(huán)路調(diào)整串聯(lián)電阻R1值以調(diào)節(jié)3.3V

這種可變電阻可以通過線性穩(wěn)壓器來實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。線性穩(wěn)壓器以線性模式工作雙極性或場效應(yīng)功率晶體管(FET)。因此，晶體管用作與輸出負(fù)載串聯(lián)的可變電阻器。為了建立反饋環(huán)路，從概念上講，誤差放大器通過采樣電阻網(wǎng)絡(luò)R檢測直流輸出電壓一個和 RB，然后比較反饋電壓VFB帶基準(zhǔn)電壓 V裁判.誤差放大器輸出電壓通過電流放大器驅(qū)動串聯(lián)功率晶體管的基極。當(dāng)輸入 V 時總線電壓降低或負(fù)載電流增加，V抄送輸出電壓下降。反饋電壓VFB也減少了。因此，反饋誤差放大器和電流放大器產(chǎn)生更多的電流進(jìn)入晶體管Q1的基極。這降低了壓降V行政長官因此帶回了 V抄送輸出電壓，使VFB等于 V裁判.另一方面，如果 V抄送輸出電壓上升，以類似的方式，負(fù)反饋電路增加V行政長官以確保3.3V輸出的精確調(diào)節(jié)?？傊琕的任何變化O被線性穩(wěn)壓器晶體管的V吸收行政長官電壓。所以輸出電壓V抄送始終是恒定的，并且受到良好的監(jiān)管。

圖3.線性穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)可變電阻來調(diào)節(jié)輸出電壓

為什么使用線性穩(wěn)壓器?

線性穩(wěn)壓器長期以來一直被工業(yè)廣泛使用。它是電源行業(yè)的基礎(chǔ)，直到 1960 年代后開關(guān)模式電源開始流行。即使在今天，線性穩(wěn)壓器仍然廣泛用于廣泛的應(yīng)用。

除了使用簡單之外，線性穩(wěn)壓器還具有其他性能優(yōu)勢。電源管理供應(yīng)商已經(jīng)開發(fā)出許多集成線性穩(wěn)壓器。典型的集成線性穩(wěn)壓器只需要 V在， V外、FB 和可選的 GND 引腳。圖 4 示出了 3 多年前開發(fā)的典型 1083 引腳線性穩(wěn)壓器 LT20。它只需要一個輸入電容、輸出電容和兩個反饋電阻來設(shè)置輸出電壓。幾乎任何電氣工程師都可以使用這些簡單的線性穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)電源。

圖4.集成線性穩(wěn)壓器示例：7.5A 線性穩(wěn)壓器，僅采用三個引腳

一個缺點(diǎn) – 線性穩(wěn)壓器會消耗大量功率

使用線性穩(wěn)壓器的一個主要缺點(diǎn)可能是其串聯(lián)晶體管Q1在線性模式下工作的功耗過大。如前所述，線性穩(wěn)壓器晶體管在概念上是一個可變電阻。由于所有負(fù)載電流必須通過串聯(lián)晶體管，因此其功耗為P損失= (V在– VO) ? IO.在這種情況下，線性穩(wěn)壓器的效率可以通過以下方式快速估算：

因此，在圖1示例中，當(dāng)輸入為12V，輸出為3.3V時，線性穩(wěn)壓器效率僅為27.5%。在這種情況下，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熱能力，以便在最大V的最壞情況下處理其功率/散熱。在和滿載。所以線性穩(wěn)壓器及其散熱器的尺寸可能會很大，特別是當(dāng)VO遠(yuǎn)小于 V在.圖5顯示，線性穩(wěn)壓器的最大效率與V成正比O/V在率。

圖5.最大線性穩(wěn)壓器效率與 V 的關(guān)系O/V在率

另一方面，如果V，線性穩(wěn)壓器可以非常有效O接近V在.但是，線性穩(wěn)壓器(LR)還有另一個限制，即V之間的最小電壓差在和 VO.LR中的晶體管必須以線性模式工作。因此，它要求雙極晶體管的集電極至發(fā)射極或FET的漏極至源極具有一定的最小壓降。當(dāng) VO太接近 V在，LR 可能無法再調(diào)節(jié)輸出電壓?？稍诘驮Ａ?(V在– VO) 稱為低壓差穩(wěn)壓器 (LDO)。

同樣明顯的是，線性穩(wěn)壓器或LDO只能提供降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換。在需要 V 的應(yīng)用中O電壓高于V在電壓，或需要負(fù)VO來自正 V 的電壓在電壓、線性穩(wěn)壓器顯然不工作。

帶高功率均流的線性穩(wěn)壓器 [8]

對于需要更大功率的應(yīng)用，穩(wěn)壓器必須單獨(dú)安裝在散熱器上以散熱。在全表面貼裝系統(tǒng)中，這不是一個選項(xiàng)，因此功耗的限制(例如1W)限制了輸出電流。不幸的是，直接并聯(lián)線性穩(wěn)壓器來傳播產(chǎn)生的熱量并不容易。

用精密電流源代替圖3所示的基準(zhǔn)電壓源，允許線性穩(wěn)壓器直接并聯(lián)以分散電流負(fù)載，從而在IC之間分散散熱。這使得線性穩(wěn)壓器可以在高輸出電流、全表面貼裝應(yīng)用中使用，在這些應(yīng)用中，電路板上的任何單個點(diǎn)只能散發(fā)有限的熱量。LT®3080 是第一款可并聯(lián)用于以獲得較高電流的可調(diào)線性穩(wěn)壓器。如圖6所示，它有一個精密零TC 10μA內(nèi)部電流源連接到運(yùn)算放大器的同相輸入端。帶外部單電壓設(shè)置電阻器 R設(shè)置，線性穩(wěn)壓器輸出電壓可在0V至(V)范圍內(nèi)調(diào)節(jié)在– V輟學(xué)).

圖6.單電阻器設(shè)置 LDO LT3080 并采用一個精準(zhǔn)電流源基準(zhǔn)

圖 7 顯示了并聯(lián) LT3080 以實(shí)現(xiàn)均流是多么容易。只需將 LT3080 的 SET 引腳連接在一起，兩個穩(wěn)壓器共享相同的基準(zhǔn)電壓。由于運(yùn)算放大器經(jīng)過精確調(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，只需要10mΩ鎮(zhèn)流電阻(可以是一個小的外部電阻和PCB走線電阻的總和)就可以平衡負(fù)載電流，實(shí)現(xiàn)優(yōu)于80%的均衡均流。需要更多動力?即使并聯(lián) 5 到 10 個設(shè)備也是合理的。

圖7.并聯(lián)兩個 LT3080 線性穩(wěn)壓器以實(shí)現(xiàn)更高的輸出電流

首選線性穩(wěn)壓器的應(yīng)用

在許多應(yīng)用中，線性穩(wěn)壓器或LDO為開關(guān)電源提供卓越的解決方案，包括：

簡單/低成本的解決方案。線性穩(wěn)壓器或LDO解決方案簡單易用，特別適用于熱應(yīng)力不重要的低輸出電流低功耗應(yīng)用。無需外部功率電感器。

低噪聲/低紋波應(yīng)用。對于噪聲敏感型應(yīng)用，如通信和無線電設(shè)備，最大限度地降低電源噪聲非常重要。線性穩(wěn)壓器的輸出電壓紋波非常低，因?yàn)闆]有元件頻繁打開和關(guān)閉，線性穩(wěn)壓器可以具有非常高的帶寬。所以幾乎沒有EMI問題。一些特殊的LDO，如ADI公司的LT1761 LDO系列，具有低至20μV有效值輸出端的噪聲電壓。SMPS幾乎不可能達(dá)到這種低噪聲水平。即使使用非常低的ESR電容，SMPS通常也具有mV的輸出紋波。

快速瞬態(tài)應(yīng)用。線性穩(wěn)壓器反饋環(huán)路通常是內(nèi)部的，因此不需要外部補(bǔ)償。通常，線性穩(wěn)壓器具有比SMPS更寬的控制環(huán)路帶寬和更快的瞬態(tài)響應(yīng)。

低壓差應(yīng)用。對于輸出電壓接近輸入電壓的應(yīng)用，LDO 可能比 SMPS 效率更高。ADI公司的LTC1844、LT3020和LTC3025等壓差非常低的LDO (VLDO)具有20mV至90mV的壓差和高達(dá)150mA的電流。最小輸入電壓可低至 0.9V。由于LR中沒有交流開關(guān)損耗，因此LR或LDO的輕負(fù)載效率與其滿載效率相似。SMPS通常具有較低的輕負(fù)載效率，因?yàn)樗哂薪涣鏖_關(guān)損耗。在輕負(fù)載效率也至關(guān)重要的電池供電應(yīng)用中，LDO可以提供比SMPS更好的解決方案。

總之，設(shè)計(jì)人員使用線性穩(wěn)壓器或LDO，因?yàn)樗鼈兒唵?、低噪聲、低成本、易于使用并提供快速瞬態(tài)響應(yīng)。如果 VO接近V在，LDO 可能比 SMPS 更高效。

開關(guān)模式電源基礎(chǔ)知識

為什么使用開關(guān)模式電源?

一個快速的答案是高效率。在SMPS中，晶體管在開關(guān)模式下工作，而不是線性模式。這意味著當(dāng)晶體管導(dǎo)通并傳導(dǎo)電流時，其電源路徑上的壓降最小。當(dāng)晶體管關(guān)閉并阻斷高壓時，幾乎沒有電流通過其電源路徑。所以半導(dǎo)體晶體管就像一個理想的開關(guān)。因此，晶體管中的功率損耗最小。高效率、低功耗和高功率密度(小尺寸)是設(shè)計(jì)人員使用SMPS而不是線性穩(wěn)壓器或LDO的主要原因，尤其是在高電流應(yīng)用中。例如，現(xiàn)在的12V在， 3.3V外開關(guān)模式同步降壓電源通常可實(shí)現(xiàn)>90%的效率，而線性穩(wěn)壓器的效率則不到27.5%。這意味著功率損耗或尺寸減小至少八倍。

最受歡迎的開關(guān)電源——降壓轉(zhuǎn)換器

圖8顯示了最簡單、最常用的開關(guān)穩(wěn)壓器，即降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器。它有兩種工作模式，具體取決于晶體管Q1是打開還是關(guān)閉。為了簡化討論，假設(shè)所有功率器件都是理想的。當(dāng)開關(guān)(晶體管)Q1導(dǎo)通時，開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓V西 南部= V在電感L電流被充電(V在– VO).圖8(a)顯示了這種電感充電模式下的等效電路。當(dāng)開關(guān)Q1關(guān)斷時，電感電流流過續(xù)流二極管D1，如圖8(b)所示。開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓V西 南部= 0V，電感L電流由V放電O負(fù)荷。由于理想電感器在穩(wěn)態(tài)下不可能有直流電壓，因此平均輸出電壓VO可以給出為：

其中 T上是切換周期 TS 內(nèi)的導(dǎo)通時間間隔。如果比值 T上/TS定義為占空比D，輸出電壓VO是：

當(dāng)濾波電感L和輸出電容C時O值足夠高，輸出電壓VO是只有mV紋波的直流電壓。在這種情況下，對于12V輸入降壓電源，從概念上講，27.5%占空比可提供3.3V輸出電壓。

圖8.降壓轉(zhuǎn)換器工作模式和典型波形

除了上述平均方法之外，還有另一種方法可以推導(dǎo)出占空比方程。理想的電感不能在穩(wěn)態(tài)下具有直流電壓。因此，它必須在開關(guān)周期內(nèi)保持電感伏秒平衡。根據(jù)圖8中的電感電壓波形，伏秒平衡需要：

等式(5)與等式(3)相同。相同的伏秒平衡方法可用于其他 DC/DC 拓?fù)洌缘贸稣伎毡扰c V 的關(guān)系在和 VO方程。

降壓轉(zhuǎn)換器的功率損耗

直流傳導(dǎo)損耗

憑借理想元件(導(dǎo)通狀態(tài)下的零壓降和零開關(guān)損耗)，理想的降壓轉(zhuǎn)換器效率可達(dá)100%。實(shí)際上，功耗始終與每個功率組件相關(guān)聯(lián)。SMPS中有兩種類型的損耗：直流傳導(dǎo)損耗和交流開關(guān)損耗。

降壓轉(zhuǎn)換器的傳導(dǎo)損耗主要由晶體管Q1、二極管D1和電感L在傳導(dǎo)電流時的壓降引起。為了簡化討論，在下面的傳導(dǎo)損耗計(jì)算中忽略了電感電流的交流紋波。如果使用MOSFET作為功率晶體管，則MOSFET的導(dǎo)通損耗等于IO2? RDS(ON)? D，其中 RDS(ON)是MOSFET Q1的導(dǎo)通電阻。二極管的導(dǎo)通功率損耗等于IO? VD? (1 – D)，其中 VD是二極管D1的正向壓降。電感的導(dǎo)通損耗等于IO2? R.DCR，其中 R.DCR是電感繞組的銅電阻。因此，降壓轉(zhuǎn)換器的導(dǎo)通損耗約為：

例如，12V 輸入，3.3V/10A.MAX輸出降壓電源可以使用以下組件：MOSFET RDS(ON)= 10mΩ，電感R.DCR= 2 mΩ，二極管正向電壓VD= 0.5V。因此，滿載時的傳導(dǎo)損耗為：

僅考慮傳導(dǎo)損耗，轉(zhuǎn)換器效率為：

上述分析表明，續(xù)流二極管消耗3.62W功率損耗，遠(yuǎn)高于MOSFET Q1和電感L的導(dǎo)通損耗。為了進(jìn)一步提高效率，二極管D1可以用MOSFET Q2代替，如圖9所示。該轉(zhuǎn)換器稱為同步降壓轉(zhuǎn)換器。Q2的柵極需要與Q1柵極互補(bǔ)的信號，即Q2僅在Q1關(guān)斷時導(dǎo)通。同步降壓轉(zhuǎn)換器的導(dǎo)通損耗為：

如果 10mΩ RDS(ON)MOSFET也用于Q2，同步降壓轉(zhuǎn)換器的導(dǎo)通損耗和效率為：

上述示例表明，同步降壓轉(zhuǎn)換器比傳統(tǒng)的降壓轉(zhuǎn)換器效率更高，特別是對于占空比小且二極管D1導(dǎo)通時間較長的低輸出電壓應(yīng)用。

圖9.同步降壓轉(zhuǎn)換器及其晶體管柵極信號