本文介紹了低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)的基本原理及選用原則，并將其應(yīng)用于開關(guān)電源設(shè)計(jì)之中。這種設(shè)計(jì)方案簡化了開關(guān)電源的多路輸出設(shè)計(jì)，減小了負(fù)載調(diào)整率，有效地抑制了電磁干擾(EMI)，并加強(qiáng)了開關(guān)電源的過流保護(hù)功能。
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。本文介紹一種應(yīng)用低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)優(yōu)化開關(guān)電源的設(shè)計(jì)方案，并對該方案的可行性通過實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。
LDO的基本原理
低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)的基本電路如圖1所示，該電路由串聯(lián)調(diào)整管VT、取樣電阻R1和R2、比較放大器A組成。
圖1：低壓差線性穩(wěn)壓器基本電路。 取樣電壓加在比較器A的同相輸入端，與加在反相輸入端的基準(zhǔn)電壓Uref相比較，兩者的差值經(jīng)放大器A放大后，控制串聯(lián)調(diào)整管的壓降，從而穩(wěn)定輸出電壓。當(dāng)輸出電壓Uout降低時(shí)，基準(zhǔn)電壓與取樣電壓的差值增加，比較放大器輸出的驅(qū)動(dòng)電流增加，串聯(lián)調(diào)整管壓降減小，從而使輸出電壓升高。相反，若輸出電壓Uout超過所需要的設(shè)定值，比較放大器輸出的前驅(qū)動(dòng)電流減小，從而使輸出電壓降低。供電過程中，輸出電壓校正連續(xù)進(jìn)行，調(diào)整時(shí)間只受比較放大器和輸出晶體管回路反應(yīng)速度的限制。
應(yīng)當(dāng)說明的是，實(shí)際的線性穩(wěn)壓器還應(yīng)當(dāng)具有許多其它的功能，比如負(fù)載短路保護(hù)、過壓關(guān)斷、過熱關(guān)斷、反接保護(hù)等，而且串聯(lián)調(diào)整管也可以采用MOSFET。
LDO的選用原則 1. 輸入輸出電壓差
輸入輸出電壓差是低壓差線性穩(wěn)壓器最重要的參數(shù)。在保證輸出電壓穩(wěn)定的前提下，該電壓差越低，線性穩(wěn)壓器的性能越好。比如，5.0V的低壓差線性穩(wěn)壓器，只要輸入5.5V，就能使輸出電壓穩(wěn)定在5.0V。
2. 最大輸出電流
用電設(shè)備的功率不同，要求穩(wěn)壓器輸出的最大電流也不相同。通常，輸出電流越大的穩(wěn)壓器成本越高。為了降低成本，在多只穩(wěn)壓器組成的供電系統(tǒng)中，應(yīng)根據(jù)各部分所需要的電流值選擇適當(dāng)?shù)姆€(wěn)壓器。
3. 負(fù)載調(diào)整率
負(fù)載調(diào)整率是眾多電源設(shè)備一個(gè)非常重要的參數(shù)，它反映了電源抑制負(fù)載干擾的能力，負(fù)載調(diào)整率越低，輸出負(fù)載對輸出電壓的影響越小，LDO的品質(zhì)就越好。
4. 接地電流
接地電流IGND是指串聯(lián)調(diào)整管輸出電流為零時(shí)，輸入電源提供的穩(wěn)壓器工作電流。該電流有時(shí)也稱為靜態(tài)電流，但是采用PNP晶體管作串聯(lián)調(diào)整元件時(shí)，這種習(xí)慣叫法是不正確的。通常較理想的低壓差線性穩(wěn)壓器的接地電流很小。
圖2：LDO應(yīng)用于開關(guān)電源原理。
5. 輸出電容器
典型LDO需要增加外部輸入和輸出電容器。利用較低ESR的大電容器一般可以全面提高電源抑制比(PSRR)、噪聲以及瞬態(tài)性能。
陶瓷電容器通常是首選，因?yàn)樗鼈儍r(jià)格低而且故障模式是斷路，相比之下鉭電容器比較昂貴且其故障模式是短路。輸出電容器的等效串聯(lián)電阻(ESR)會影響其穩(wěn)定性，陶瓷電容器具有較低的ESR，大概為10 mΩ量級，而鉭電容器ESR在100 mΩ量級。另外，許多鉭電容器的ESR隨溫度變化很大，會對LDO性能產(chǎn)生不利影響。電容的具體應(yīng)用需要咨詢LDO廠商以確保正確實(shí)施。
6. 封裝
選擇LDO產(chǎn)品時(shí)應(yīng)考慮LDO的散熱，負(fù)載大的LDO應(yīng)盡可能選擇大封裝，這樣有利于LDO性能穩(wěn)定。
LDO應(yīng)用于開關(guān)電源設(shè)計(jì) 遵循以上原則，本文選擇哈爾濱圣邦微電子有限公司生產(chǎn)的SG2002和SG2012系列LDO。
應(yīng)用LDO于開關(guān)電源的電路如圖2所示，圖中虛線部分是開關(guān)電源通常采用的電
路，它可以給LDO提供+6V/1.5A的輸出電壓/電流。該電源應(yīng)用SG2002-5.0XN5/TR、SG2012-3.3XKC3/TR、SG2012-2.5XKC3/TR以及SG2012-1.8XKC3/TR分別生成+5.0V/0.3A、3.3/0.4A、2.5V/0.4A以及1.8V/0.4A電壓/電流。圖中LDO芯片的輸入端和輸出端接有1uF的瓷片電容，以此提高LDO的穩(wěn)定性。在每個(gè)LDO的BP端接上一個(gè)0.01uF的瓷片電容，可以有效地降低LDO的輸出噪聲。
LDO在開關(guān)電源中的作用 1. 簡化開關(guān)電源設(shè)計(jì)
開關(guān)電源多路輸出一般通過增加高頻變壓器反饋端來實(shí)現(xiàn)，這使得開關(guān)電源在設(shè)計(jì)過程中增加了設(shè)計(jì)者的工作量。應(yīng)用LDO作為開關(guān)電源的輸出終端，可以極大地簡化開關(guān)電源的設(shè)計(jì)，縮短開發(fā)周期。
2. 提高開關(guān)電源的負(fù)載調(diào)整率
LDO是來穩(wěn)定電源電壓的專用芯片，目前有很多公司設(shè)計(jì)的LDO的負(fù)載調(diào)整率非常小。應(yīng)用LDO可以大幅度地降低開關(guān)電源負(fù)載調(diào)整率。
3. 有效濾除開關(guān)電源電磁干擾，減小紋波輸出
開關(guān)電源的突出缺點(diǎn)是產(chǎn)生較強(qiáng)的EMI。EMI信號既具有很寬的頻率范圍，又有一定的幅度，經(jīng)傳導(dǎo)和輻射會污染電磁環(huán)境，對通信設(shè)備和電子產(chǎn)品造成干擾。如果處理不當(dāng)，開關(guān)電源本身就會變成一個(gè)干擾源。LDO有較高的電源抑制比，且LDO是低噪聲器件，因此應(yīng)用LDO可以有效地濾除開關(guān)電源EMI，減小紋波輸出。
4．為開關(guān)電源提供過流保護(hù)
盡管許多PWM控制芯片本身具有過流保護(hù)功能，但LDO的過流保護(hù)功能可以提升開關(guān)電源的安全系數(shù)。
試驗(yàn)分析
圖3：開關(guān)電源負(fù)載調(diào)整率測試電路
下面通過以下兩個(gè)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證該方案的可行性：
1．測量負(fù)載調(diào)整率
實(shí)驗(yàn)電路如圖3所示。由電子負(fù)載依次拉出0mA到400mA的電流，在每個(gè)負(fù)載點(diǎn)記錄下開關(guān)電源的輸出電壓。測試數(shù)據(jù)經(jīng)過處理，可以得出圖4所示的圖表。該圖充分說明，LDO優(yōu)秀的負(fù)載調(diào)整率已經(jīng)被完全移植到開關(guān)電源上。換言之，LDO極大地提高了開關(guān)電源的負(fù)載調(diào)整率。
2．輸出紋波的測量
分別在開關(guān)電源的LDO輸入端和輸出端接上示波器，可以得出圖5所示的波形。其中Ch1是LDO入口處的輸出波形，而Ch2是LDO出口處的輸出波形，即開關(guān)電源的最終輸出波形。
由上圖可以看出，LDO有效地濾除了開關(guān)電源EMI信號，相對于搭建常規(guī)EMI過濾器來講，應(yīng)用LDO更簡單可靠。
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作者：曹會賓 應(yīng)用工程師
