簡介

 

當今的電子係統設計需要越來越多的供電軌和供電解決方案
，負載範圍從備用電源的幾mA到ASIC穩壓器的100A以上不等。為目標應用選擇合適的解決方案並滿足指定的性能要求至關重要，如高效率
、緊密印刷電路板(PCB)空間、準確的輸出電壓調節、快速瞬態響應
、低解決方案成本等。對於許多可能沒有強大電源技術背景的係統設計者來說，電源管理設計工作變得越來越頻繁，越來越具有挑戰性。

 

電(dian)源(yuan)轉(zhuan)換(huan)器(qi)從(cong)給(gei)定(ding)輸(shu)入(ru)電(dian)源(yuan)為(wei)負(fu)載(zai)生(sheng)成(cheng)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)和(he)電(dian)流(liu)。它(ta)需(xu)要(yao)在(zai)穩(wen)態(tai)和(he)瞬(shun)態(tai)條(tiao)件(jian)下(xia)滿(man)足(zu)負(fu)載(zai)電(dian)壓(ya)或(huo)電(dian)流(liu)調(tiao)節(jie)要(yao)求(qiu)。還(hai)必(bi)須(xu)在(zai)組(zu)件(jian)出(chu)現(xian)故(gu)障(zhang)時(shi)保(bao)護(hu)負(fu)載(zai)和(he)係(xi)統(tong)。根(gen)據(ju)具(ju)體(ti)應(ying)用(yong)，設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)可(ke)選(xuan)擇(ze)線(xian)性(xing)穩(wen)壓(ya)器(qi)(LR)或開關模式電源(SMPS)解決方案。為了更好地選擇解決方案，設計人員必須熟悉各種方法的優點、缺點和設計考慮因素。

 

本文重點關注非隔離電源應用

，並介紹其操作和設計基礎知識。

 

線性穩壓器

 

線性穩壓器的工作原理

 

我們先來舉個簡單的例子。在嵌入式係統中
，前端電源提供一個12V總線供電軌。而在係統板上，運算放大器需要3.3V供電電壓。產生3.3V電壓最簡單的方式是對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電壓會隨著負載的不同而不同。而且，12V總線輸入可能調節不佳。同一係統中可能有多個其他負載共用12V供電軌。由於總線阻抗，12V總線電壓隨總線負載條件而變化。因此，電阻分壓器無法向運算放大器提供經過調節的3.3V電壓
，來確保正常運行。因此，需要專用電壓調節環路。如圖2所示，反饋環路需要調節頂部電阻R1值，以便在VCC上動態調節3.3V。

 

圖1.電阻分壓器從12V總線輸入生成3.3VDC

 

圖2.反饋環路調整串聯電阻R1值以調節3.3V

 

使用線性穩壓器可實現這種可變電阻，如圖3所示。線性穩壓器以線性模式操作雙極性或場效應功率晶體管(FET)。因此
，晶體管作為可變電阻與輸出負載串聯。為建立反饋環路，從概念上講，誤差放大器通過采樣電阻網絡RA和RB檢測直流輸出電壓
，然後將反饋電壓VFB與基準電壓VREF進行比較。誤差放大器輸出電壓通過電流放大器驅動串聯功率晶體管的基極。當輸入VBUS電壓減小或負載電流增大時，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，而恢複VCC輸出電壓，使VFB等於VREF。而另一方麵，如果VCC輸出電壓增加，負反饋電路也會增加VCE，確保精確調節3.3V輸出。總而言之，VO的任何變化都會被線性穩壓器晶體管的VCE電壓吸收。因此，輸出電壓VCC始終保持恒定
，並得到良好的調節。

 

圖3.線性穩壓器實現可變電阻以調節輸出電壓

 

為何使用線性穩壓器？

 

很長一段時間以來
，線性穩壓器一直廣泛應用於工業領域。在開關模式電源自20世紀60年代問世普及之前，線性穩壓器始終是電源行業的基礎元件。即便是今天，線性穩壓器仍然廣泛應用於各種應用領域。

 

除了使用簡單，線性穩壓器還具有其他性能優勢。電源管理供應商開發了許多集成式線性穩壓器。典型的集成式線性穩壓器僅需VIN、VOUT
、FB和可選GND引腳。圖4顯示了20多年前ADI公司開發的典型3引腳線性穩壓器LT1083。僅需1個輸入電容、1個輸出電容和2個反饋電阻即可設置輸出電壓。幾乎任何電氣工程師都可以使用這些簡單的線性穩壓器來設計電源。

 

圖4.集成式線性穩壓器示例：隻有3個引腳的7.5A線性穩壓器

 

一個缺點——線性穩壓器非常耗電

 

使用線性穩壓器的一個主要缺點是其串聯晶體管Q1在zai線xian性xing模mo式shi下xia工gong作zuo的de功gong耗hao過guo高gao。如ru前qian所suo述shu，線xian性xing穩wen壓ya器qi晶jing體ti管guan從cong概gai念nian上shang講jiang是shi一yi個ge可ke變bian電dian阻zu。由you於yu所suo有you負fu載zai電dian流liu都dou必bi須xu通tong過guo串chuan聯lian晶jing體ti管guan，其qi功gong耗hao為weiPLoss = (VIN – VO) •IO。在這種情況下，線性穩壓器的效率可通過以下公式快速估算：
 

 

因此
，在圖1的示例中，當輸入為12V，輸出為3.3V時，線性穩壓器效率隻有27.5%。在該例中，72.5%的輸入功率被浪費
，並在穩壓器中產生熱量。這意味著，晶體管必須具有散熱能力，以便在最大VIN和滿負載的最壞情況下處理功耗和散熱問題。因此，線性穩壓器及其散熱器的尺寸可能很大，特別是當VO比VIN小很多時。圖5顯示線性穩壓器的最大效率與VO/VIN比率成正比。

 

圖5.最大線性穩壓器效率與VO/VIN比率

 

另一方麵
，如果VO接近VIN，則線性穩壓器的效率很高。但是
，線性穩壓器(LR)還有一個限製，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可能就無法調節輸出電壓。能夠以低裕量(VIN – VO)工作的線性穩壓器稱為低壓差穩壓器(LDO)。

 

很明顯，線性穩壓器或LDO隻能提供降壓DC/DC轉換。在需要VO電壓比VIN電壓高，或需要從正VIN電壓獲得負VO電壓的應用中
，線性穩壓器顯然不起作用。

 

均流線性穩壓器實現高功率[8]

 

對於需要更多功率的應用
，必須將穩壓器單獨安裝在散熱器上以便散熱。在全表麵貼裝係統中，這種做法不可行
，因此功耗限製（例如1W）會限製輸出電流。遺憾的是
，要直接並聯線性穩壓器來分散產生的熱量並不容易。

 

用精密電流源替換圖3所示的基準電壓，能夠直接並聯線性穩壓器以分散電流負載，由此分散IC上消散的熱量。這樣就能夠在高輸出電流、全表麵貼裝應用中使用線性穩壓器，在這些應用中，電路板上的任何一個點都隻能消散有限的熱量。

 

ADI公司的LT3080是首個可調線性穩壓器
，可並聯使用以增加電流。如圖6所示，其精密零TC 10µA內部電流源連接到運算放大器的非反相輸入。通過使用外部單電壓設置電阻RSET，可將線性穩壓器的輸出電壓從0V調節到(VIN – VDROPOUT)。

 

圖6.具有精密電流源基準的單電阻設置LDO LT3080

 

圖7顯示了並聯LT3080實現均流有多簡單。隻需將LT3080的SET引腳連接在一起，兩個穩壓器的基準電壓就相同。由於運算放大器經過精密調整，調整引腳和輸出之間的失調電壓小於2mV。在這種情況下，隻需10mΩ鎮流電阻（小型外部電阻和PCB走線電阻之和）即可平衡負載電流，且均流超過80%。還需要更多功率？並聯5到10個設備也是合理的。

 

 

圖7.並聯兩個LT3080線性穩壓器以增加輸出電流

 

更適合使用線性穩壓器的應用

 

在許多應用中，線性穩壓器或LDO可提供出色的開關電源解決方案
，包括：

 

1.    簡單/低成本解決方案：線性穩壓器或LDO解決方案簡單易用，特別適用於熱應力不太重要的具有低輸出電流的低功耗應用。無需使用外部電源電感。

 

2.    低噪聲/低紋波應用：duiyuzaoshengminganxingyingyong，rutongxinheshepinqijian

，jinkenengjianshaodianyuanzaoshengfeichangzhongyao。xianxingwenyaqideshuchudianyawenbohendi，yinweibuhuipinfankaiguanyuanjian，dandaikuanhengao。yinci，jihumeiyouEMI問題。一些特殊的LDO（如ADI LT1761 LDO係列）在輸出端的噪聲電壓低至20μVRMS。SMPS幾乎無法達到這種低噪聲電平。即使采用極低ESR電容
，SMPS通常也有1mV輸出紋波。

 

3.    快速瞬態應用：線性穩壓器反饋環路通常在內部，因此無需外部補償。一般來說
，線性穩壓器的控製環路帶寬比SMPS更寬，瞬態響應更快。

 

4.    低壓差應用：對於輸出電壓接近輸入電壓的應用，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150mA。最小輸入電壓可低至0.9V。由於LR中沒有交流開關損耗，因此LR或LDO的輕負載效率類似於其滿負載效率。由於交流開關損耗
，SMPS通常具有更低的輕負載效率。在輕負載效率同樣重要的電池供電應用中，LDO提供的解決方案比SMPS更好。

 

綜上所述，設計人員使用線性穩壓器或LDO是因為它們簡單
、噪聲低、成本低、易於使用並提供快速瞬態響應。如果VO接近VIN，LDO可能比SMPS更高效。

 

[未完待續]

 

參考資料

 

 [1] V. Vorperian，“對使用PWM開關模式的PWM轉換器的簡化分析：第I部分和第II部分”，IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，1990年3月，第26卷
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 [2] R. B. Ridley, B. H. Cho, F. C. Lee，“對多環路控製開關穩壓器的環路增益的分析和解讀”
，IEEE Transactions on Power Electronics，第489-498頁，1988年10月。

 

 [3] H. Zhang，“開關模式電源的模型和回路補償設計”

，淩力爾特應用筆記AN149
，2015年。

 

 [4] H. Dean Venable，“控製係統的最佳反饋放大器設計”
，Venable技術文獻。

 

 [5] H. Zhang，“使用LTpowerCAD設計工具分五個簡單的步驟設計電源”
，淩力爾特應用筆記AN158，2015年。

 

 [6] www.linear.com/LTpowerCAD上的LTpowerCAD™設計工具。

 

 [7] H. Zhang，“非隔離式開關電源的PCB布局考慮因素”


，淩力爾特公司的應用筆記136，2012年。

 

 [8] R. Dobbkin，“低壓差穩壓器可直接並聯以散熱”，LT Journal of Analog Innovation，2007年10月。

 

 [9] C. Kueck
，“電源布局和EMI”，淩力爾特應用筆記AN139，2013年。

 

 [10] M. Subramanian、T. Nguyen和T. Phillips，“高電流電源低於毫歐的DCR電流檢測和精確多相均流”，LT Journal
，2013年1月。

 

 [11] B. Abesingha，“快速精確的降壓DC-DC控製器在2MHz下直接將24V轉換為1.8V”，LT Journal，2011年10月。

 

 [12] T. Bjorklund，“高效率4開關降壓-升壓控製器提供精確輸出限流值”，淩力爾特設計筆記499。

 

 [13] J. Sun、S. Young和H. Zhang，“µModule穩壓器適合15mm × 15mm × 2.8mm、4.5V-36Vin至0.8V-34V VOUT的（接近）完整降壓-升壓解決方案”
，LT Journal，2009年3月。

 

 

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