用低壓差線(xiàn)性穩壓器優(yōu)化開(kāi)關(guān)電源設計

電源是各種電子設備必不可缺少的組成部分，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到電子設備的技術(shù)指標及能否安全可靠地工作。目前常用的直流穩壓電源分線(xiàn)性電源和開(kāi)關(guān)電源兩大類(lèi)，由于開(kāi)關(guān)電源內部關(guān)鍵元器件工作在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，本身消耗的能量很低，開(kāi)關(guān)電源效率可達80%~90%，比普通線(xiàn)性穩壓電源提高近一倍，目前已成為穩壓電源的主流產(chǎn)品。本文介紹一種應用低壓差線(xiàn)性穩壓器(LDO)優(yōu)化開(kāi)關(guān)電源的設計方案，并對該方案的可行性通過(guò)實(shí)驗加以驗證。

LDO的基本原理

低壓差線(xiàn)性穩壓器(LDO)的基本電路如圖1所示，該電路由串聯(lián)調整管VT、取樣電阻R1和R2、比較放大器A組成。

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)調整管的壓降，從而穩定輸出電壓。當輸出電壓Uout降低時(shí)，基準電壓與取樣電壓的差值增加，比較放大器輸出的驅動(dòng)電流增加，串聯(lián)調整管壓降減小，從而使輸出電壓升高。相反，若輸出電壓Uout超過(guò)所需要的設定值，比較放大器輸出的前驅動(dòng)電流減小，從而使輸出電壓降低。供電過(guò)程中，輸出電壓校正連續進(jìn)行，調整時(shí)間只受比較放大器和輸出晶體管回路反應速度的限制。

應當說(shuō)明的是，實(shí)際的線(xiàn)性穩壓器還應當具有許多其它的功能，比如負載短路保護、過(guò)壓關(guān)斷、過(guò)熱關(guān)斷、反接保護等，而且串聯(lián)調整管也可以采用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(xiàn)性穩壓器最重要的參數。在保證輸出電壓穩定的前提下，該電壓差越低，線(xiàn)性穩壓器的性能越好。比如，5.0V的低壓差線(xiàn)性穩壓器，只要輸入5.5V，就能使輸出電壓穩定在5.0V。

2. 最大輸出電流

用電設備的功率不同，要求穩壓器輸出的最大電流也不相同。通常，輸出電流越大的穩壓器成本越高。為了降低成本，在多只穩壓器組成的供電系統中，應根據各部分所需要的電流值選擇適當的穩壓器。

3. 負載調整率

負載調整率是眾多電源設備一個(gè)非常重要的參數，它反映了電源抑制負載干擾的能力，負載調整率越低，輸出負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)調整管輸出電流為零時(shí)，輸入電源提供的穩壓器工作電流。該電流有時(shí)也稱(chēng)為靜態(tài)電流，但是采用PNP晶體管作串聯(lián)調整元件時(shí)，這種習慣叫法是不正確的。通常較理想的低壓差線(xiàn)性穩壓器的接地電流很小。

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，因為它們價(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(huì )影響其穩定性，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(huì )對LDO性能產(chǎn)生不利影響。電容的具體應用需要咨詢(xún)LDO廠(chǎng)商以確保正確實(shí)施。

6. 封裝

選擇LDO產(chǎn)品時(shí)應考慮LDO的散熱，負載大的LDO應盡可能選擇大封裝，這樣有利于LDO性能穩定。

LDO應用于開(kāi)關(guān)電源設計

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。

應用LDO于開(kāi)關(guān)電源的電路如圖2所示，圖中虛線(xiàn)部分是開(kāi)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(kāi)關(guān)電源中的作用

1. 簡(jiǎn)化開(kāi)關(guān)電源設計

開(kāi)關(guān)電源多路輸出一般通過(guò)增加高頻變壓器反饋端來(lái)實(shí)現，這使得開(kāi)關(guān)電源在設計過(guò)程中增加了設計者的工作量。應用LDO作為開(kāi)關(guān)電源的輸出終端，可以極大地簡(jiǎn)化開(kāi)關(guān)電源的設計，縮短開(kāi)發(fā)周期。

2. 提高開(kāi)關(guān)電源的負載調整率

LDO是來(lái)穩定電源電壓的專(zhuān)用芯片，目前有很多公司設計的LDO的負載調整率非常小。應用LDO可以大幅度地降低開(kāi)關(guān)電源負載調整率。

3. 有效濾除開(kāi)關(guān)電源電磁干擾，減小紋波輸出

開(kāi)關(guān)電源的突出缺點(diǎn)是產(chǎn)生較強的EMI。EMI信號既具有很寬的頻率范圍，又有一定的幅度，經(jīng)傳導和輻射會(huì )污染電磁環(huán)境，對通信設備和電子產(chǎn)品造成干擾。如果處理不當，開(kāi)關(guān)電源本身就會(huì )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，因此應用LDO可以有效地濾除開(kāi)關(guān)電源EMI，減小紋波輸出。

4.為開(kāi)關(guān)電源提供過(guò)流保護

盡管許多PWM控制芯片本身具有過(guò)流保護功能，但LDO的過(guò)流保護功能可以提升開(kāi)關(guān)電源的安全系數。

試驗分析

下面通過(guò)以下兩個(gè)實(shí)驗來(lái)驗證該方案的可行性：

1.測量負載調整率

實(shí)驗電路如圖3所示。由電子負載依次拉出0mA到400mA的電流，在每個(gè)負載點(diǎn)記錄下開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓。測試數據經(jīng)過(guò)處理，可以得出圖4所示的圖表。該圖充分說(shuō)明，LDO優(yōu)秀的負載調整率已經(jīng)被完全移植到開(kāi)關(guān)電源上。換言之，LDO極大地提高了開(kāi)關(guān)電源的負載調整率。

2.輸出紋波的測量

分別在開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)電源EMI信號，相對于搭建常規EMI過(guò)濾器來(lái)講，應用LDO更簡(jiǎn)單可靠。