低壓差線性穩壓器在開關電源中的應用

低壓差線性穩壓器在開關電源中的應用

[日期：2008-8-27]

來源：電子技術應用  作者：任明岩

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1 引言

　　電源是各種電子裝置必不可缺少的組成部分，其效能的優劣直接關係到電子裝置的技術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性電源和開關電源兩大類，由於開關電源內部關鍵元器件工作在高頻開關狀態，本身消耗的能量很低，開關電源效率可達80％～90％，比普通線性穩壓電源提高近一倍，目前已成為穩壓電源的主流產品。

 

　　2 開關穩壓電源的結構

 

　　圖(1)畫出了開關穩壓電源的原理圖及等效原理框圖，它是由全波整流器，開關管Vi，激勵訊號，續流二極體VD，儲能電感和濾波電容C組成。實際上，開關穩壓電源的核心部分是一個直流變壓器。這裡我們對直流變換器和逆變器作如下解釋。逆變器，它是把直流轉變為交流的裝置。逆變器通常被廣泛地應用在採用電平或電池組成的備用電源中。直流變換器，它是把直流轉換成交流，然後又把交流轉換成直流的裝置。這種裝置被廣泛地應用在開關穩壓電源中。採用直流變換器可以把一種直流供電電壓變換成極性、數值各不同的多種直流供電電壓。

 

　　3 開關穩壓電源的優點和缺點

 

　　3.1 開關穩壓電源的優點

 

　　功耗小，效率高。在圖(1)中的開關穩壓電源電路中，晶體管V在激勵訊號的激勵下，它交替地工作在導通截止和截止導通的開關狀態，轉換速度很快，頻率一般為50kHz左右，在一些技術先進的國家，可以做到幾百或者近1000kHz。這使得開關晶體管V的功耗很小，電源的效率可以大幅度地提高，其效率可達到80％。

 

 

　　體積小，重量輕。從開關穩壓電源的原理框圖可以清楚地看到這裡沒有採用笨重的工頻變壓器。由於調整管V上的耗散功率大幅度降低後，又省去了較大的散熱片。由於這兩方面原因，所以開關穩壓電源的體積小，重量輕。

 

　　穩壓範圍寬。從開關穩壓電源的輸出電壓是由激勵訊號的占空比來調節的，輸入訊號電壓的變化可以通過調頻或調寬來進行補償，這樣，在工頻電網電壓變化較大時，它仍能夠保證有較穩定的輸出電壓。所以開關電源的穩壓範圍很寬，穩壓效果很好。此外，改變占空比的方法有脈寬調製型和頻率調製型兩種。這樣，開關穩壓電源不僅具有穩壓範圍寬的優點，而且實現穩壓的方法也較多，設計人員可以根據實際應用的要求，靈活地選用各種類型的開關穩壓電源。

 

　　濾波的效率大為提高，使濾波電容的容量和體積大為減少。開關穩壓電源的工作頻率目前基本上是工作在50kHz，是線性穩壓電源的1000倍，這使整流後的濾波效率幾乎也提高了1000倍。就是採用半波整流後加電容濾波，效率也提高了500倍。在相同的紋波輸出電壓下，採用開關穩壓電源時，濾波電容的容量只是線性穩壓電源中濾波電容的1／5001／1000。

 

　　電路形式靈活多樣。例如，有自激式和他激式，有調寬型和調頻型，有單端式和雙端式等等，設計者可以發揮各種類型電路的特長，設計出能滿足不同應用場合的開關穩壓電源。

 

　　3.2 開關穩壓電源的缺點

 

　　開關穩壓電源的缺點是存在較為嚴重的開關幹擾。開關穩壓電源中，功率調整開關晶體管V工作在開關狀態，它產生的交流電壓和電流通過電路中的其他元器件產生尖峰幹擾和諧振幹擾，這些幹擾如果不採取一定的措施進行抑制、消除和屏蔽，就會嚴重地影響整機的正常工作。此外由於開關穩壓電源振蕩器沒有工頻變壓器的隔離，這些幹擾就會串入工頻電網，使附近的其他電子儀器、裝置和家用電器受到嚴重的幹擾。

 

　　目前，由於國內微電子技術、阻容器件生產技術以及磁性材料技術與一些技術先進國家還有一定的差距，因而造價不能進一步降低，也影響到可靠性的進一步提高。所以在我國的電子儀器以及機電一體化儀器中，開關穩壓電源還不能得到十分廣泛的普及及使用。特別是對於無工頻變壓器開關穩壓電源中的高壓電解電容器、高反壓大功率開關管、開關變壓器的磁芯材料等器件，在我國還處於研究、開發階段。在一些技術先進國家，開關穩壓電源雖然有了一定的發展，但在實際應用中也還存在一些問題，不能十分令人滿意。這暴露出開關穩壓電源的又一個缺點，那就是電路結構複雜，故障率高，維修麻煩。對此，如果設計者和製造者不予以充分重視，則它將直接影響到開關穩壓電源的推廣應用。當今，開關穩壓電源推廣應用比較困難的主要原因就是它的製作技術難度大、維修麻煩和造價成本較高

 

　　4 LDO簡介

 

　　LDO是一種微功耗的低壓差線性穩壓器，它通常具有極低的自有雜訊和較高的電源抑制比PSRR(PowerSupplyRejectionRatio)。

 

　　LDO低壓差線性穩壓器的結構(2)主要包括啟動電路、恒流源偏置單元、使能電路、調整元件、基準源、誤差放大器、反饋電阻網路和保護電路等。基本工作原理是這樣的：系統加電，如果使能腳處於高電平時，電路開始啟動，恒流源電路給整個電路提供偏置，基準源電壓快速建立，輸出隨著輸入不斷上升，當輸出即將達到規定值時，由反饋網路得到的輸出反饋電壓也接近於基準電壓值，此時誤差放大器將輸出反饋電壓和基準電壓之間的誤差小訊號進行放大，再經調整管放大到輸出，從而形成負反饋，保證了輸出電壓穩定在規定值上，同理如果輸入電壓變化或輸出電流變化，這個閉環迴路將使輸出電壓保持不變，即：Vout=(R1+R2)／R2 ×Vref

 

 

　　實際的低壓差線性穩壓器還具有如負載短路保護、過壓關斷、過熱關斷、反接保護等其它的功能。

 

　　5 LDO應用於開關電源

 

　　目前大多IC設計產商生產的低壓差線性穩壓器(LDO)典型封裝都是SOT23-5和SOT23-3，如聖邦微電子的SGM2007，SGM2013。(3)為SGM2007的典型應用電路圖。

 

　　目前市場上出售的開關電源中採用雙極性晶體管製成的開關頻率100kHz，用MOS-FET製成的開關頻率500kHz電源。開關電源的突出缺點是產生較強的EMI。EMI訊號既具有很寬的頻率範圍，又有一定的幅度，經傳導和輻射會汙染電磁環境，對通訊裝置和電子產品造成幹擾。如果處理不當，開關電源本身就會變成一個幹擾源。當用開關電源做為LDO的輸入VIN時要注意LDO電源抑制比和功耗。

 

　　電源抑制比PSRR(Power supply ripple rejectionratio)是反應LDO輸出對輸入紋波抑制能力的一個交流參數，一般輸出和輸入的頻率是一樣的，PSRR的值越大說明LDO的紋波能力越強，也就是說輸入對輸出的影響很小。儘管LDO的電源抑制比很強，但都是在一定頻率內的抑制很強，一般的在50KHz到200kHz的電源抑制比還是很差的(4)為SGM2007的PSRR和頻率曲線，而這段頻率正是大多數開關電源的工作頻率，如果LDO的負載和輸入輸出電容匹配不好，很容易引起LDO振蕩。而造成整個LDO供電系統的不穩定。

 

　　目前市場上出售的開關電源大多數都是固定電壓輸出的，一般常用都是5V輸出的，而一般的LDO應用最多的是3.3V輸出的，在開關電源的輸出做為LDO的輸入時，就存在一個很大的壓差，為1.7V。如果LDO電流很大的話如200mA，那麼晶片的溫度就會很高，功耗很大，長時間工作在高溫的情況下，會影響晶片的工作壽命。

 

 

　　低壓差線性穩壓器功耗主要是輸入電壓，輸出電壓以及輸出電流的函數。下列方程式可用來計算最惡劣情況下的功耗：

 

　　PD=(VINMAX-VOUTMIN)ILMAX。其中：PD=最惡劣情況下的實際功耗，VINMAX=VIN腳上的最大電壓，VOUTMIN=穩壓器輸出的最小電壓，ILMAX=最大(負載)輸出電流。

 

　　最大允許功耗(PDMAX)是最大環境溫度(TAMAX)，最大允許結溫(TJMAX)(+125℃)和結點到空氣間熱阻(θJA)的函數。對於安裝在典型雙層FR4電解銅鍍層PCB板上的5引腳SOT-23封裝器件，其(θJA)約為250℃／Watt。

 

　　PDMAX=(TAMAX-TJMAX)/θJA

　　VINMAX=3.0V+10％，VOUTMIN=2.7V-2.5％，ILOADMAX=40mA，TJMAX=+125℃，TAMAX=+55℃

　　實際功耗PD=26.7mW，最大允許功耗：PDMAX=280mW

 

　　6 結論

 

　　當開關電源做為低壓差線性穩壓器輸入時，一定要注意開關電源的紋波，開關頻率對LDO的影響，及LDO負載電容的匹配，不要超過他的最大功耗，以影響系統的穩定性。