低壓差線性穩(wěn)壓器在開關(guān)電源中解決方案

    電源是各種電子設(shè)備必不可缺少的組成部分，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到電子設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)及能否安全可靠地工作。目前常用的直流穩(wěn)壓電源分線性電源和開關(guān)電源兩大類，由于開關(guān)電源內(nèi)部關(guān)鍵元器件工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，本身消耗的能量很低，開關(guān)電源效率可達(dá)80%~90%，比普通線性穩(wěn)壓電源提高近一倍，目前已成為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品。

    開關(guān)穩(wěn)壓電源的結(jié)構(gòu)

    圖1畫出了開關(guān)穩(wěn)壓電源的原理圖及等效原理框圖，它是由全波整流器，開關(guān)管Vi，激勵(lì)信號(hào)，續(xù)流二極管VD，儲(chǔ)能電感和濾波電容C組成。實(shí)際上，開關(guān)穩(wěn)壓電源的核心部分是一個(gè)直流變壓器。這里我們對(duì)直流變換器和逆變器作如下解釋。逆變器，它是把直流轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣鞯难b置。逆變器通常被廣泛地應(yīng)用在采用電平或電池組成的備用電源中。直流變換器，它是把直流轉(zhuǎn)換成交流，然后又把交流轉(zhuǎn)換成直流的裝置。這種裝置被廣泛地應(yīng)用在開關(guān)穩(wěn)壓電源中。采用直流變換器可以把一種直流供電電壓變換成極性、數(shù)值各不同的多種直流供電電壓。

    開關(guān)穩(wěn)壓電源的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

    開關(guān)穩(wěn)壓電源優(yōu)點(diǎn)：

    功耗小，效率高。在圖1中的開關(guān)穩(wěn)壓電源電路中，晶體管V在激勵(lì)信號(hào)的激勵(lì)下，它交替地工作在導(dǎo)通—截止和截止—導(dǎo)通的開關(guān)狀態(tài)，轉(zhuǎn)換速度很快，頻率一般為50kHz左右，在一些技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家，可以做到幾百或者近1000kHz。這使得開關(guān)晶體管V的功耗很小，電源的效率可以大幅度地提高，其效率可達(dá)到80%。

    體積小，重量輕。從開關(guān)穩(wěn)壓電源的原理框圖可以清楚地看到這里沒有采用笨重的工頻變壓器。由于調(diào)整管V上的耗散功率大幅度降低后，又省去了較大的散熱片。由于這兩方面原因，所以開關(guān)穩(wěn)壓電源的體積小，重量輕。

    穩(wěn)壓范圍寬。從開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出電壓是由激勵(lì)信號(hào)的占空比來(lái)調(diào)節(jié)的，輸入信號(hào)電壓的變化可以通過(guò)調(diào)頻或調(diào)寬來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。這樣，在工頻電網(wǎng)電壓變化較大時(shí)，它仍能夠保證有較穩(wěn)定的輸出電壓。所以開關(guān)電源的穩(wěn)壓范圍很寬，穩(wěn)壓效果很好。此外，改變占空比的方法有脈寬調(diào)制型和頻率調(diào)制型兩種。開關(guān)穩(wěn)壓電源不僅具有穩(wěn)壓范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，而且實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的方法也較多，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的要求，靈活地選用各種類型的開關(guān)穩(wěn)壓電源。

    濾波的效率大為提高，使濾波電容的容量和體積大為減少。開關(guān)穩(wěn)壓電源的工作頻率目前基本上是工作在50kHz，是線性穩(wěn)壓電源的1000倍，這使整流后的濾波效率幾乎也提高了1000倍；即使采用半波整流后加電容濾波，效率也提高了500倍。在相同的紋波輸出電壓下，采用開關(guān)穩(wěn)壓電源時(shí)，濾波電容的容量只是線性穩(wěn)壓電源中濾波電容的1/500～1/1000。電路形式靈活多樣，有自激式和他激式，有調(diào)寬型和調(diào)頻型，有單端式和雙端式等等，設(shè)計(jì)者可以發(fā)揮各種類型電路的特長(zhǎng)，設(shè)計(jì)出能滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的開關(guān)穩(wěn)壓電源。

    開關(guān)穩(wěn)壓電源缺點(diǎn)：

    開關(guān)穩(wěn)壓電源的缺點(diǎn)是存在較為嚴(yán)重的開關(guān)干擾。開關(guān)穩(wěn)壓電源中，功率調(diào)整開關(guān)晶體管V工作在開關(guān)狀態(tài)，它產(chǎn)生的交流電壓和電流通過(guò)電路中的其他元器件產(chǎn)生尖峰干擾和諧振干擾，這些干擾如果不采取一定的措施進(jìn)行抑制、消除和屏蔽，就會(huì)嚴(yán)重地影響整機(jī)的正常工作。此外由于開關(guān)穩(wěn)壓電源振蕩器沒有工頻變壓器的隔離，這些干擾就會(huì)串入工頻電網(wǎng)，使附近的其他電子儀器、設(shè)備和家用電器受到嚴(yán)重干擾。

    目前，由于國(guó)內(nèi)微電子技術(shù)、阻容器件生產(chǎn)技術(shù)以及磁性材料技術(shù)與一些技術(shù)先進(jìn)國(guó)家還有一定的差距，因而造價(jià)不能進(jìn)一步降低，也影響到可靠性的進(jìn)一步提高。所以在我國(guó)的電子儀器以及機(jī)電一體化儀器中，開關(guān)穩(wěn)壓電源還不能得到十分廣泛的普及及使用。特別是對(duì)于無(wú)工頻變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源中的高壓電解電容器、高反壓大功率開關(guān)管、開關(guān)變壓器的磁芯材料等器件，在我國(guó)還處于研究、開發(fā)階段。在一些技術(shù)先進(jìn)國(guó)家，開關(guān)穩(wěn)壓電源雖然有了一定的發(fā)展，但在實(shí)際應(yīng)用中也還存在一些問題，不能十分令人滿意。這暴露出開關(guān)穩(wěn)壓電源的又一個(gè)缺點(diǎn)，那就是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障率高，維修麻煩。對(duì)此，如果設(shè)計(jì)者和制造者不予以充分重視，則它將直接影響到開關(guān)穩(wěn)壓電源的推廣應(yīng)用。當(dāng)今，開關(guān)穩(wěn)壓電源推廣應(yīng)用比較困難的主要原因就是它的制作技術(shù)難度大、維修麻煩和造價(jià)成本較高。

    LDO簡(jiǎn)介

    LDO是一種微功耗的低壓差線性穩(wěn)壓器，它通常具有極低的自有噪聲和較高的電源抑制比(PSRR，Power Supply Rejection Ratio )。

    LDO低壓差線性穩(wěn)壓器的結(jié)構(gòu)如圖2主要包括啟動(dòng)電路、恒流源偏置單元、使能電路、調(diào)整元件、基準(zhǔn)源、誤差放大器、反饋電阻網(wǎng)絡(luò)和保護(hù)電路等。基本工作原理是：系統(tǒng)加電，如果使能腳處于高電平時(shí)，電路開始啟動(dòng)，恒流源電路給整個(gè)電路提供偏置，基準(zhǔn)源電壓快速建立，輸出隨著輸入不斷上升，當(dāng)輸出即將達(dá)到規(guī)定值時(shí)，由反饋網(wǎng)絡(luò)得到的輸出反饋電壓也接近于基準(zhǔn)電壓值；此時(shí)誤差放大器將輸出反饋電壓和基準(zhǔn)電壓之間的誤差小信號(hào)進(jìn)行放大，再經(jīng)調(diào)整管放大到輸出，從而形成負(fù)反饋，保證了輸出電壓穩(wěn)定在規(guī)定值上，同理如果輸入電壓變化或輸出電流變化，這個(gè)閉環(huán)回路將使輸出電壓保持不變，即Vout=(R1+R2)/R2  × Vref。

    實(shí)際的低壓差線性穩(wěn)壓器還具有如負(fù)載短路保護(hù)、過(guò)壓關(guān)斷、過(guò)熱關(guān)斷、反接保護(hù)等其它的功能。

    LDO應(yīng)用于開關(guān)電源

    目前大多IC設(shè)計(jì)產(chǎn)商生產(chǎn)的低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)典型封裝都是SOT23-5和SOT23-3，如圣邦微電子的SGM2007，SGM2013。圖3為SGM2007的典型應(yīng)用電路圖。

    目前市場(chǎng)上出售的開關(guān)電源中采用雙極性晶體管制成的開關(guān)頻率100kHz，用MOS-FET制成的開關(guān)頻率500kHz電源。開關(guān)電源的突出缺點(diǎn)是產(chǎn)生較強(qiáng)的EMI。EMI信號(hào)既具有很寬的頻率范圍，又有一定的幅度，經(jīng)傳導(dǎo)和輻射會(huì)污染電磁環(huán)境，對(duì)通信設(shè)備和電子產(chǎn)品造成干擾。如果處理不當(dāng)，開關(guān)電源本身就會(huì)變成一個(gè)干擾源。當(dāng)用開關(guān)電源做為L(zhǎng)DO的輸入VIN時(shí)要注意LDO電源抑制比和功耗。

    電源抑制比 (PSRR，Power supply ripple rejection ratio)是反應(yīng)LDO輸出對(duì)輸入紋波抑制能力的一個(gè)交流參數(shù)，一般輸出和輸入的頻率是一樣的，PSRR的值越大說(shuō)明LDO的紋波能力越強(qiáng)，也就是說(shuō)輸入對(duì)輸出的影響很小。盡管LDO的電源抑制比很強(qiáng)，但都是在一定頻率內(nèi)的抑制很強(qiáng)，一般的在50KHz到200kHz的電源抑制比還是很差的如圖4為SGM2007的PSRR和頻率曲線，而這段頻率正是大多數(shù)開關(guān)電源的工作頻率，如果LDO的負(fù)載和輸入輸出電容匹配不好，很容易引起LDO振蕩。而造成整個(gè)LDO供電系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

    目前市場(chǎng)上出售的開關(guān)電源大多數(shù)都是固定電壓輸出的，一般常用都是5V輸出的，而一般的LDO應(yīng)用最多的是3.3V輸出的，在開關(guān)電源的輸出做為L(zhǎng)DO的輸入時(shí)，就存在一個(gè)很大的壓差，為1.7V。如果LDO電流很大的話如200mA，那么芯片的溫度就會(huì)很高，功耗很大，長(zhǎng)時(shí)間工作在高溫的情況下，會(huì)影響芯片的工作壽命。

    低壓差線性穩(wěn)壓器功耗主要是輸入電壓，輸出電壓以及輸出電流的函數(shù)。下列方程式可用來(lái)計(jì)算最惡劣情況下的功耗：

    PD=(VINMAX-VOUTMIN)ILMAX。其中:PD = 最惡劣情況下的實(shí)際功耗，VINMAX = VIN 腳上的最大電壓，VOUTMIN=穩(wěn)壓器輸出的最小電壓，ILMAX=最大(負(fù)載) 輸出電流。

    最大允許功耗(PDMAX) 是最大環(huán)境溫度(TAMAX), 最大允許結(jié)溫(TJMAX) (+125℃) 和結(jié)點(diǎn)到空氣間熱阻(qJA) 的函數(shù)。對(duì)于安裝在典型雙層FR4 電解銅鍍層PCB板上的5引腳SOT-23封裝器件，其(qJA)約為250℃/Watt。

    PDMAX=(TAMAX- TJMAX)/ qJA

    VINMAX=3.0V+10%，VOUTMIN=2.7V-2.5%，ILOADMAX=40mA，TJMAX= +125℃，TAMAX = +55℃

    實(shí)際功耗PD=26.7mW，最大允許功耗: PDMAX=280mW。

    結(jié)語(yǔ)

    當(dāng)開關(guān)電源做為低壓差線性穩(wěn)壓器輸入時(shí)，一定要注意開關(guān)電源的紋波，開關(guān)頻率對(duì)LDO的影響，及LDO負(fù)載電容的匹配，不要超過(guò)最大功耗，以影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。