應(yīng)用筆記140 第1/3部分：線性調(diào)節(jié)器和開關(guān)模式電源的基本概念

摘要

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(jìn)一步說明了開關(guān)穩(wěn)壓器的設(shè)計考慮因素。

簡介

當(dāng)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(fù)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(biāo)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(zhǔn)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(qiáng)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(fù)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(fù)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(hù)負(fù)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(yùn)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(yùn)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(fù)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(fù)載共用12V供電軌。由于總線阻抗，12V總線電壓隨總線負(fù)載條件而變化。因此，電阻分壓器無法向運(yùn)算放大器提供經(jīng)過調(diào)節(jié)的3.3V電壓，來確保正常運(yùn)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(fù)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(zhǔn)電壓VREF進(jìn)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(dāng)輸入VBUS電壓減小或負(fù)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(fù)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(jì)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(fù)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(dāng)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(fèi)，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(fù)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(dāng)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(fù)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

對于需要更多功率的應(yīng)用，必須將穩(wěn)壓器單獨(dú)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(zhǔn)電壓，能夠直接并聯(lián)線性穩(wěn)壓器以分散電流負(fù)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(yùn)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(zhǔn)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(zhǔn)電壓就相同。由于運(yùn)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(fù)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(dá)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(bǔ)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(dá)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(fù)載效率類似于其滿負(fù)載效率。由于交流開關(guān)損耗，SMPS通常具有更低的輕負(fù)載效率。在輕負(fù)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。