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与非网苏老师教你线性稳压器和开关稳压器的选用

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发表于 2018-8-9 00:35:34 | 显示全部楼层 |阅读模式
电子产品离不开电源电路,元器件需要的电压/电流/纹波要求,板子上可能有多组不同的供电,选用什么样的变换方式需要考虑到多种因素。首先我们看一下几种常用的外接供电方式:

外接交流电 : 比如中国国标的220V AC,美国的110 AC,电子产品内部需要AC变DC的电路(一般是独立的变换电路板)变成产品中各个器件用的低压,当然也有外部的“变压器”将220V按照一定的变比变成低压的AC,比如9VAC,这种变压器跟2中的“适配器”很像,但内部只有变压器,没有整流、滤波、稳压的功能,这种设计主要是出于系统整体成本的要求;

外接DC适配器:常用的是-48V、24V、12V、9V、5V等,一般是通过一种被称作“适配器(Adaptor)”的黑黑(现在各种颜色的都有了)的家伙,将AC转变为DC。技术的进步可以通过开关稳压的方式将比较宽范围的输入交流变成稳定的直流,开关变换也比较容易获得小的体积。比较常用的就是笔记本的电源变换器、手机充电器等,它们的输出都是低压直流。随着USB端口的无处不在,USB不再只是数据的传输,更多的是用其端口进行供电。目前家庭的插座上越来越多地将USB(5V直流)充电口作为了标配。

电池供电: 各种各样的电池和多个电池的组合,多数系统需要对电池充电,随后让电池供电,或者充放电同时进行。

今天我们讨论的是电路板上通过稳压电路为板上的各个器件产生需要的电压,主要的稳压变换方式有两种:

线性稳压 - Linear Regulator

开关稳压 - Switching Regulator 也叫SMPS(switching mode power supply)

线性稳压器最经典的就是78xx系列,典型的封装为TO-220,只有三个腿,只需要外接俩电容:输入端电容和输出端电容,虽然数据手册中有推荐的电容值,比如Fairchild的LM78xx数据手册要求输入端0.33uF,输出端0.1uF,不过在实际的应用中电容值的大小没啥关系,随便弄俩上去就行,稳压反馈环路是非常稳定的,输入输出的电容对其没有什么影响,输出的纹波也非常小。
QQ截图20180809003217.jpg
从原理上看,可以把线性稳压器看成是一个可变的串行电阻,通过改变其电阻值保证输出端的电压稳定。核心的器件三极管工作于线性模式。
QQ截图20180809003230.jpg
线性稳压器的工作原理
QQ截图20180809003240.jpg
常规线性稳压器的构成

线性稳压器的优点:

使用简单 - 一般来讲3个器件就能搞定;

便宜 - 有几十年历史的器件,价格非常非常便宜;

输出端比较干净 - 低噪声、低纹波、工作于非常宽频带,没有EMI的问题,在对噪声敏感的模拟电路、通信电路供电系统中,一般会选用线性稳压器来保证好的性能;

响应快速

当然线性稳压器的缺点也很明显:

输入电压和输出电压之间必须要保证一定的压差(常规的稳压器一般在2V以上,LDO需要的比较低)才能正常稳压,要让7805工作,其输入端的电压至少要达到7V才行;

效率为输出电压/输入电压,当输入电压与输出电压的差越大,则效率越低,而损失的效率都以热的方式通过稳压器本身消耗掉了。比如12V输入/5V输出的场景,效率只有5/12 ~ 41.6%,而58%的能量都被无谓的消耗掉,且发出的热量对板子上的其它器件的稳定工作带来威胁;

只能用于降压,无法用于升压和反压。

LDO:
QQ截图20180809003251.jpg
LDO线性稳压器的构成

LDO是线性稳压器的一种,只是输入端和输出端需要的压差较小,在小电流的情况下(比如150mA)压差可以到低到50mV。设想一下用LDO产生3.3V的直流电压,在电路150mA的情况下,其输入端只需要3.35V就可以正常工作,其效率可以高达98%,因此说线性稳压效率一定低这个结论是错误的,不能生搬硬套道听途说的结论。

另一个理解上的误区就是觉得LDO会比常规的线性稳压器的转换效率高,如果输入电压和输出电压都是一样的情况下,使用78xx的器件和使用LDO的器件,其效率没有本质的区别,反而由于LDO,流通到GND管脚的电流较大而效率略低一点。

LDO非常适合电池供电的场景,因为在很小的压差下也可以正常工作,而常规的线性稳压器适合于交流供电的场景,可以通过改变变压器的变比得到78xx需要的输入电压的要求,且能够达到较高的功率要求,比如10A。

开关稳压电源:

开关稳压器主要由工作于开关状态的三极管(或MOS管)+储能的电感或电容构成:

工作于开关模式的三极管:On的时候对电感充电,充电足够的时候开关关闭,电感线圈将能量以电流的方式往负载供电,输出电容同电感一起保证电压的稳定。理论上当三极管处于On的时候其没有压降,处于Off的时候没有电流通过,所以可以达到比较高的转换效率。但实际上其还是有压降和电流通过的,并且还有其它器件上的损耗;

电感:电流流入的时候通过磁场存储能量,它不喜欢电流的变化,会尽力保持电流为常数而达到平滑电流的作用;

电容:可以看作为电压滤波器,它不喜欢电压的变化,用其存储的能量来保持电压为常数。
QQ截图20180809003303.jpg
开关稳压器的工作原理示意图

开关稳压器的优点:

效率比较高,相对比常规的线性稳压器,一般来讲其效率是比较高的,但也会有一些由于器件的非理想化带来一些损耗,结合上面LDO的例子,在一个实际的系统中开关稳压器效率是否一定高于LDO,需要根据实际的电压、电流情况来分析,选用;

输入电压范围较宽 - 全球跑到任何地方都能用的笔记本电源适配器、刮胡刀、手机充电器等等都是用开关稳压的方式实现的,线性稳压器在这种需求下无能为力;

同等功率下,尤其是大功率,开关稳压器的体积可以做的较小,这得益于开关工作频率的提高,有的高达几MHz,器件体积可以变得很小。

开关稳压器的缺点:

相对于三件套的线性稳压器,开关稳压器需要的元器件比较多,有的器件相对还比较大,比如线圈、电容;

高频的开关噪声比较大,元器件的布局比较关键,实现系统需要的低噪声是非常具有挑战的;

元器件的选用也非常关键,比如MOS管、储能电感、平滑电容等

开关稳压器也有不同的类型,根据输入电压和输出电压的关系分:

Buck型 - 降压

Boost型 - 升压

Buck+Boost - 既可以升压也可以降压

由于篇幅,在此不做详解,会在以后的文章中在做介绍。

电源是非常基础的器件,因此目前行业里做通用器件的大公司如TI、ADI、Linear Tech(已经被ADI收购)、On Semi、Fairchild(被On收购)、iWatt(被Dialog Semi收购)、Power Integration、Maxim(美信)等等都有相应的产品,由于很多器件的功能相对于SoC来讲简单很多,国内的很多创业公司也风起云涌地来pin to pin兼容某些常用的器件,也就是从板子上拔下来TI或Linear的一颗器件,插上他们自己的器件,一样工作。

但一定要注意的是,即便是pin to pin兼容,也要看其指标,国产的器件在性能方面还是有一定的差异,比如非常常用的1117-3.3V,Linear的1117器件能够达到的性能,国产的器件就很难达到。

另外一定要注意不要从淘宝上购买这些器件,很容易遇到冒牌的假货、旧货,某些性能不行的话,会让你折腾一周到一个月的时间。

这么多厂商的这么多器件挑起来会让人眼晕,在选型的时候如果逐个厂商的网站上进行对比挑选会耗费大量的时间,不如到比较集中的地方,比如全球著名的元器件分销商Mouser的官网上根据类别和参数进行快速检索定位。不仅可以大大节省选型的时间,还能够保证你选中器件的货源 - 如果Mouser上都没有货的器件,很大的可能你在其它地方也很难买到。

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【书】低压差线性稳压器设计原理与应用

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