应用笔记140第1/3部分:线性调节器和开关模式电源的基本概念

winniewei 提交于 周一, 09/21/2020
应用笔记140第13部分:线性调节器和开关模式电源的基本概念

作者:ADI公司Henry J. Zhang

摘要

本文介绍线性稳压器和开关模式电源(SMPS)的基本概念。主要面向不太熟悉电源设计和选择的系统工程师。还介绍了线性稳压器和SMPS的基本工作原理并讨论了每个解决方案的优缺点。此外,以降压转换器为例进一步说明了开关稳压器的设计考虑因素。

简介

当今的电子系统设计需要越来越多的供电轨和供电解决方案,负载范围从备用电源的几mAASIC稳压器的100A以上不等。为目标应用选择合适的解决方案并满足指定的性能要求至关重要,如高效率、紧密印刷电路板(PCB)空间、准确的输出电压调节、快速瞬态响应、低解决方案成本等。对于许多可能没有强大电源技术背景的系统设计者来说,电源管理设计工作变得越来越频繁,越来越具有挑战性。

电源转换器从给定输入电源为负载生成输出电压和电流。它需要在稳态和瞬态条件下满足负载电压或电流调节要求。还必须在组件出现故障时保护负载和系统。根据具体应用,设计人员可选择线性稳压器(LR)或开关模式电源(SMPS)解决方案。为了更好地选择解决方案,设计人员必须熟悉各种方法的优点、缺点和设计考虑因素。

本文重点关注非隔离电源应用,并介绍其操作和设计基础知识。

线性稳压器

线性稳压器的工作原理

我们先来举个简单的例子。在嵌入式系统中,前端电源提供一个12V总线供电轨。而在系统板上,运算放大器需要3.3V供电电压。产生3.3V电压最简单的方式是对12V总线使用电阻分压器,如图1所示。效果好吗?答案通常是否定的。在不同的工作条件下,运算放大器的VCC引脚电流可能有所不同。如果使用固定电阻分压器,IC VCC电压会随着负载的不同而不同。而且,12V总线输入可能调节不佳。同一系统中可能有多个其他负载共用12V供电轨。由于总线阻抗,12V总线电压随总线负载条件而变化。因此,电阻分压器无法向运算放大器提供经过调节的3.3V电压,来确保正常运行。因此,需要专用电压调节环路。如图2所示,反馈环路需要调节顶部电阻R1值,以便在VCC上动态调节3.3V

图1.电阻分压器从12V总线输入生成3.3VDC

1.电阻分压器从12V总线输入生成3.3VDC

图2.反馈环路调整串联电阻R1值以调节3.3V

2.反馈环路调整串联电阻R1值以调节3.3V

使用线性稳压器可实现这种可变电阻,如图3所示。线性稳压器以线性模式操作双极性或场效应功率晶体管(FET)。因此,晶体管作为可变电阻与输出负载串联。为建立反馈环路,从概念上讲,误差放大器通过采样电阻网络RARB检测直流输出电压,然后将反馈电压VFB与基准电压VREF进行比较。误差放大器输出电压通过电流放大器驱动串联功率晶体管的基极。当输入VBUS电压减小或负载电流增大时,VCC输出电压下降。反馈电压VFB也下降。因此,反馈误差放大器和电流放大器产生更多的电流馈入晶体管Q1的基极。这就减少了压降VCE,而恢复VCC输出电压,使VFB等于VREF。而另一方面,如果VCC输出电压增加,负反馈电路也会增加VCE,确保精确调节3.3V输出。总而言之,VO的任何变化都会被线性稳压器晶体管的VCE电压吸收。因此,输出电压VCC始终保持恒定,并得到良好的调节。

  图3.线性稳压器实现可变电阻以调节输出电压

3.线性稳压器实现可变电阻以调节输出电压

为何使用线性稳压器?

很长一段时间以来,线性稳压器一直广泛应用于工业领域。在开关模式电源自20世纪60年代问世普及之前,线性稳压器始终是电源行业的基础元件。即便是今天,线性稳压器仍然广泛应用于各种应用领域。

除了使用简单,线性稳压器还具有其他性能优势。电源管理供应商开发了许多集成式线性稳压器。典型的集成式线性稳压器仅需VINVOUTFB和可选GND引脚。图4显示了20多年前ADI公司开发的典型3引脚线性稳压器LT1083。仅需1个输入电容、1个输出电容和2个反馈电阻即可设置输出电压。几乎任何电气工程师都可以使用这些简单的线性稳压器来设计电源。

图4.集成式线性稳压器示例:只有3个引脚的7.5A线性稳压器 

4.集成式线性稳压器示例:只有3个引脚的7.5A线性稳压器

 

一个缺点——线性稳压器非常耗电

使用线性稳压器的一个主要缺点是其串联晶体管Q1在线性模式下工作的功耗过高。如前所述,线性稳压器晶体管从概念上讲是一个可变电阻。由于所有负载电流都必须通过串联晶体管,其功耗为PLoss = (VIN – VO) •IO。在这种情况下,线性稳压器的效率可通过以下公式快速估算:

应用笔记140第13部分:线性调节器和开关模式电源的基本概念

因此,在图1的示例中,当输入为12V,输出为3.3V时,线性稳压器效率只有27.5%。在该例中,72.5%的输入功率被浪费,并在稳压器中产生热量。这意味着,晶体管必须具有散热能力,以便在最大VIN和满负载的最坏情况下处理功耗和散热问题。因此,线性稳压器及其散热器的尺寸可能很大,特别是当VOVIN小很多时。图5显示线性稳压器的最大效率与VO/VIN比率成正比。

图5.最大线性稳压器效率与VO/VIN比率

5.最大线性稳压器效率与VO/VIN比率

另一方面,如果VO接近VIN,则线性稳压器的效率很高。但是,线性稳压器(LR)还有一个限制,即VINVO之间的最小电压差。LR中的晶体管必须在线性模式下工作。因此,双极性晶体管的集电极到发射极或FET的漏极到源极之间需要一定程度的最小压降。如果VO太接近VINLR可能就无法调节输出电压。能够以低裕量(VIN – VO)工作的线性稳压器称为低压差稳压器(LDO)

很明显,线性稳压器或LDO只能提供降压DC/DC转换。在需要VO电压比VIN电压高,或需要从正VIN电压获得负VO电压的应用中,线性稳压器显然不起作用。

均流线性稳压器实现高功率[8]

对于需要更多功率的应用,必须将稳压器单独安装在散热器上以便散热。在全表面贴装系统中,这种做法不可行,因此功耗限制(例如1W)会限制输出电流。遗憾的是,要直接并联线性稳压器来分散产生的热量并不容易。

用精密电流源替换图3所示的基准电压,能够直接并联线性稳压器以分散电流负载,由此分散IC上消散的热量。这样就能够在高输出电流、全表面贴装应用中使用线性稳压器,在这些应用中,电路板上的任何一个点都只能消散有限的热量。

ADI公司的LT3080是首个可调线性稳压器,可并联使用以增加电流。如图6所示,其精密零TC 10µA内部电流源连接到运算放大器的非反相输入。通过使用外部单电压设置电阻RSET,可将线性稳压器的输出电压从0V调节到(VIN – VDROPOUT)

图6.具有精密电流源基准的单电阻设置LDO LT3080

6.具有精密电流源基准的单电阻设置LDO LT3080

7显示了并联LT3080实现均流有多简单。只需将LT3080SET引脚连接在一起,两个稳压器的基准电压就相同。由于运算放大器经过精密调整,调整引脚和输出之间的失调电压小于2mV。在这种情况下,只需10mΩ镇流电阻(小型外部电阻和PCB走线电阻之和)即可平衡负载电流,且均流超过80%。还需要更多功率?并联510个设备也是合理的。

图7.并联两个LT3080线性稳压器以增加输出电流

7.并联两个LT3080线性稳压器以增加输出电流

更适合使用线性稳压器的应用

在许多应用中,线性稳压器或LDO可提供出色的开关电源解决方案,包括:

1.    简单/低成本解决方案:线性稳压器或LDO解决方案简单易用特别适用于热应力不太重要的具有低输出电流的低功耗应用。无需使用外部电源电感。

2.    低噪声/低纹波应用:对于噪声敏感型应用,如通信和射频器件,尽可能减少电源噪声非常重要。线性稳压器的输出电压纹波很低,因为不会频繁开关元件,但带宽很高。因此,几乎没有EMI问题。一些特殊的LDO(如ADI LT1761 LDO系列)在输出端的噪声电压低至20μVRMSSMPS几乎无法达到这种低噪声电平。即使采用极低ESR电容,SMPS通常也有1mV输出纹波。

3.    快速瞬态应用:线性稳压器反馈环路通常在内部,因此无需外部补偿。一般来说,线性稳压器的控制环路带宽比SMPS更宽,瞬态响应更快。

4.    低压差应用:对于输出电压接近输入电压的应用,LDO可能比SMPS更高效。还有超低压差LDO (VLDO),如ADI LTC1844LT3020LTC3025,其压差为20mV90mV,电流高达150mA。最小输入电压可低至0.9V。由于LR中没有交流开关损耗,因此LRLDO的轻负载效率类似于其满负载效率。由于交流开关损耗,SMPS通常具有更低的轻负载效率。在轻负载效率同样重要的电池供电应用中,LDO提供的解决方案比SMPS更好。

综上所述,设计人员使用线性稳压器或LDO是因为它们简单、噪声低、成本低、易于使用并提供快速瞬态响应。如果VO接近VINLDO可能比SMPS更高效。

[未完待续]

参考资料

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 [11] B. Abesingha快速精确的降压DC-DC控制器在2MHz下直接将24V转换为1.8V”LT Journal201110月。

 [12] T. Bjorklund高效率4开关降压-升压控制器提供精确输出限流值,凌力尔特设计笔记499

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