本文介紹線性穩(wěn)壓器和開關(guān)模式電源(SMPS)的基本概念。主要面向不太熟悉電源設(shè)計和選擇的系統(tǒng)工程師。還介紹了線性穩(wěn)壓器和 SMPS 的基本工作原理并討論了每個解決方案的優(yōu)缺點。此外，以降壓轉(zhuǎn)換器為例進一步說明了開關(guān)穩(wěn)壓器的設(shè)計考慮因素。
簡介
當今的電子系統(tǒng)設(shè)計需要越來越多的供電軌和供電解決方案，負載范圍從備用電源的幾 mA 到 ASIC 穩(wěn)壓器的 100A 以上不等。為目標應(yīng)用選擇合適的解決方案并滿足指定的性能要求至關(guān)重要，如高效率、緊密印刷電路板(PCB)空間、準確的輸出電壓調(diào)節(jié)、快速瞬態(tài)響應(yīng)、低解決方案成本等。對于許多可能沒有強大電源技術(shù)背景的系統(tǒng)設(shè)計者來說，電源管理設(shè)計工作變得越來越頻繁，越來越具有挑戰(zhàn)性。
電源轉(zhuǎn)換器從給定輸入電源為負載生成輸出電壓和電流。它需要在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)條件下滿足負載電壓或電流調(diào)節(jié)要求。還必須在組件出現(xiàn)故障時保護負載和系統(tǒng)。根據(jù)具體應(yīng)用，設(shè)計人員可選擇線性穩(wěn)壓器(LR)或開關(guān)模式電源(SMPS)解決方案。為了更好地選擇解決方案，設(shè)計人員必須熟悉各種方法的優(yōu)點、缺點和設(shè)計考慮因素。
本文重點關(guān)注非隔離電源應(yīng)用，并介紹其操作和設(shè)計基礎(chǔ)知識。
線性穩(wěn)壓器
線性穩(wěn)壓器的工作原理
我們先來舉個簡單的例子。在嵌入式系統(tǒng)中，前端電源提供一個 12V 總線供電軌。而在系統(tǒng)板上，運算放大器需要 3.3V 供電電壓。產(chǎn)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(diào)節(jié)不佳。同一系統(tǒng)中可能有多個其他負載共用 12V 供電軌。由于總線阻抗，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(jīng)過調(diào)節(jié)的 3.3V 電壓，來確保正常運行。因此，需要專用電壓調(diào)節(jié)環(huán)路。如圖 2 所示，反饋環(huán)路需要調(diào)節(jié)頂部電阻 R1 值，以便在 VCC 上動態(tài)調(diào)節(jié) 3.3V。
圖 1. 電阻分壓器從 12V 總線輸入生成 3.3VDC
圖 2. 反饋環(huán)路調(diào)整串聯(lián)電阻 R1 值以調(diào)節(jié) 3.3V
使用線性穩(wěn)壓器可實現(xiàn)這種可變電阻，如圖 3 所示。線性穩(wěn)壓器以線性模式操作雙極性或場效應(yīng)功率晶體管(FET)。因此，晶體管作為可變電阻與輸出負載串聯(lián)。為建立反饋環(huán)路，從概念上講，誤差放大器通過采樣電阻網(wǎng)絡(luò) RA 和 RB 檢測直流輸出電壓，然后將反饋電壓 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(qū)動串聯(lián)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(chǎn)生更多的電流饋入晶體管 Q1 的基極。這就減少了壓降 VCE，而恢復(fù) VCC 輸出電壓，使 VFB 等于 VREF。而另一方面，如果 VCC 輸出電壓增加，負反饋電路也會增加 VCE，確保精確調(diào)節(jié) 3.3V 輸出?？偠灾?，VO 的任何變化都會被線性穩(wěn)壓器晶體管的 VCE 電壓吸收。因此，輸出電壓 VCC 始終保持恒定，并得到良好的調(diào)節(jié)。
圖 3. 線性穩(wěn)壓器實現(xiàn)可變電阻以調(diào)節(jié)輸出電壓
為何使用線性穩(wěn)壓器？
很長一段時間以來，線性穩(wěn)壓器一直廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。在開關(guān)模式電源自 20 世紀 60 年代問世普及之前，線性穩(wěn)壓器始終是電源行業(yè)的基礎(chǔ)元件。即便是今天，線性穩(wěn)壓器仍然廣泛應(yīng)用于各種應(yīng)用領(lǐng)域。
除了使用簡單，線性穩(wěn)壓器還具有其他性能優(yōu)勢。電源管理供應(yīng)商開發(fā)了許多集成式線性穩(wěn)壓器。典型的集成式線性穩(wěn)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(fā)的典型 3 引腳線性穩(wěn)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(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)壓器來設(shè)計電源。
圖 4. 集成式線性穩(wěn)壓器示例：只有 3 個引腳的 7.5A 線性穩(wěn)壓器
一個缺點——線性穩(wěn)壓器非常耗電
使用線性穩(wěn)壓器的一個主要缺點是其串聯(lián)晶體管 Q1 在線性模式下工作的功耗過高。如前所述，線性穩(wěn)壓器晶體管從概念上講是一個可變電阻。由于所有負載電流都必須通過串聯(lián)晶體管，其功耗為 PLoss = (VIN – VO) •IO。在這種情況下，線性穩(wěn)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(wěn)壓器效率只有 27.5%。在該例中，72.5%的輸入功率被浪費，并在穩(wěn)壓器中產(chǎn)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(wěn)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(wěn)壓器的最大效率與 VO/VIN 比率成正比。
圖 5. 最大線性穩(wěn)壓器效率與 VO/VIN 比率
另一方面，如果 VO 接近 VIN，則線性穩(wěn)壓器的效率很高。但是，線性穩(wěn)壓器(LR)還有一個限制，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(fā)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(diào)節(jié)輸出電壓。能夠以低裕量(VIN – VO)工作的線性穩(wěn)壓器稱為低壓差穩(wěn)壓器(LDO)。
很明顯，線性穩(wěn)壓器或 LDO 只能提供降壓 DC/DC 轉(zhuǎn)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(yīng)用中，線性穩(wěn)壓器顯然不起作用。
均流線性穩(wěn)壓器實現(xiàn)高功率[8]
對于需要更多功率的應(yīng)用，必須將穩(wěn)壓器單獨安裝在散熱器上以便散熱。在全表面貼裝系統(tǒng)中，這種做法不可行，因此功耗限制（例如 1W）會限制輸出電流。遺憾的是，要直接并聯(lián)線性穩(wěn)壓器來分散產(chǎn)生的熱量并不容易。
用精密電流源替換圖 3 所示的基準電壓，能夠直接并聯(lián)線性穩(wěn)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、全表面貼裝應(yīng)用中使用線性穩(wěn)壓器，在這些應(yīng)用中，電路板上的任何一個點都只能消散有限的熱量。
ADI 公司的 LT3080 是首個可調(diào)線性穩(wěn)壓器，可并聯(lián)使用以增加電流。如圖 6 所示，其精密零 TC 10µA 內(nèi)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(shè)置電阻 RSET，可將線性穩(wěn)壓器的輸出電壓從 0V 調(diào)節(jié)到(VIN – VDROPOUT)。
圖 6. 具有精密電流源基準的單電阻設(shè)置 LDO LT3080
圖 7 顯示了并聯(lián) LT3080 實現(xiàn)均流有多簡單。只需將 LT3080 的 SET 引腳連接在一起，兩個穩(wěn)壓器的基準電壓就相同。由于運算放大器經(jīng)過精密調(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 10mΩ鎮(zhèn)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？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)壓器以增加輸出電流
更適合使用線性穩(wěn)壓器的應(yīng)用
在許多應(yīng)用中，線性穩(wěn)壓器或 LDO 可提供出色的開關(guān)電源解決方案，包括：
1. 簡單 / 低成本解決方案：線性穩(wěn)壓器或 LDO 解決方案簡單易用，特別適用于熱應(yīng)力不太重要的具有低輸出電流的低功耗應(yīng)用。無需使用外部電源電感。
2. 低噪聲 / 低紋波應(yīng)用：對于噪聲敏感型應(yīng)用，如通信和射頻器件，盡可能減少電源噪聲非常重要。線性穩(wěn)壓器的輸出電壓紋波很低，因為不會頻繁開關(guān)元件，但帶寬很高。因此，幾乎沒有 EMI 問題。一些特殊的 LDO（如 ADI LT1761 LDO 系列）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(tài)應(yīng)用：線性穩(wěn)壓器反饋環(huán)路通常在內(nèi)部，因此無需外部補償。一般來說，線性穩(wěn)壓器的控制環(huán)路帶寬比 SMPS 更寬，瞬態(tài)響應(yīng)更快。
4. 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 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。由于 LR 中沒有交流開關(guān)損耗，因此 LR 或 LDO 的輕負載效率類似于其滿負載效率。由于交流開關(guān)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(yīng)用中，LDO 提供的解決方案比 SMPS 更好。
綜上所述，設(shè)計人員使用線性穩(wěn)壓器或 LDO 是因為它們簡單、噪聲低、成本低、易于使用并提供快速瞬態(tài)響應(yīng)。如果 VO 接近 VIN，LDO 可能比 SMPS 更高效。
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