开关电源原理分析和IC选型

目录

概述 (2)

线性电源 (2)

LDO电路的原理 (2)

举例 (3)

LDO的选择注意事项 (4)

输入、输出以及降低电压 (4)

负载电流要求 (4)

封装与功耗 (5)

输出电容器 (5)

负载调整率 (5)

开关电源 (5)

晶体管开关电路的设计 (5)

开关电路分析 (5)

应用举例 (6)

功率晶体管开关电源的设计 (7)

MOS管开关电源的设计 (9)

电源的比较 (10)

LDO应用于开关电源 (11)

简化开关电源设计 (11)

提高开关电源的负载调整率 (11)

有效滤除开关电源电磁干扰，减小纹波输出 (12)

为开关电源提供过流保护 (12)

生产厂家 (12)

概述

目前直流电源电路使用的方法有两种，即串级型（线性电源）和开关型电路。

串级型电源是一种在输入和输出间串联地接入控制期间---晶体管等构成的电路。这种方式的电源在输出电压的过程中在电源控制器件上也产生电压降，所以输出电压必然低入输入电压，电源的效率也比较低。

开关型电源是将晶体管开关电路或者FET开关电路与电感器或电容器组合构成的电源电路，与串级型相比其优点是效率非常高，而且在确保高效率时能自由地进行降压或升压。

线性电源

LDO电路的原理

LDO用于控制输出电压用的晶体管，在电源和负载之间是串联连接的。

我们直接从电路分析入手。如下图1：

5V

图1

这是一个简易的利用射极跟随器做出来的直流电源电路，将5.6V的齐纳二极管与射频跟随器相组合，输出电压为5.0V，从理论上来讲如挑选不同的齐纳二极管，就能得到任意的输出电压。

C1为了消除齐纳二极管的噪声，C2为了降低阻抗

优点：简单，电流为数十毫安。

缺点：大电流时输出电压会下降。

应当说明的是，实际的线性稳压器还应当具有许多其它的功能，比如负载短路保护、过压关断、过热关断、反接保护等，而且串联调整管也可以采用MOSFET。

射极跟随器的特点是输出阻抗低，输入阻抗高，无电压放大作用。共射极放大器，共基极放大器的特点和作用不做展开。

改进上述电路的缺点：

利用负反馈，如图2：

这样，由于负载电流的变动而产生输出电压的变化，因负反馈而得到补正，从而能保持输出电压的稳定。从而可以弥补上面电路的缺点。

C2是为了减少输出端与Q1之间的交流阻抗、稳定地加负反馈而使用。这个值不要求很大，几微法就可以了，过大就是浪费。即使没有它，电路也可以工作，但是为了保持稳定度和性能，还是必要的。

C3是为了减少在没有充分负反馈的高频范围内交流端的输出阻抗而使用的电容器。

Vnf为基准电压=(Vz+Vbe)。可以调节R2,R3的值来调节输出电压。如果需要大的电流可以在设计跟随器部分采用达林顿结构，增大β。如图3。

Q1

举例

下面是用于GWM5020电路中的LDO，AME8805的模块图4：

PSRR（电源抑制比）为60dB@100KHz

负载电流：600ma。

LDO的选择注意事项

输入、输出以及降低电压

输入电压必须大于预期输出电压与特定压降之和，即VIN > VOUT + VDROPOUT。如果 VIN 降低至必需的电压以下，则我们说 LDO 出现"压降"，输出等于输入减去旁路元件 (pass element) 的 RDS(on) 乘以负载电流。

输入输出电压差是低压差线性稳压器最重要的参数。在保证输出电压稳定的前提下，该电压差越低，线性稳压器的性能越好。比如，5.0V的低压差线性稳压器，只要输入5.5V，就能使输出电压稳定在5.0V。

需要注意压降时的性能变化。驱动旁路晶体管的误差放大器完全打开或者出于"待发状态"(cocked)，因此不产生任何环路增益。这意味着线路与负载调节很差。另外，PSRR 在压降时也会显著降低。

选用可提供预期输出电压的 LDO 作为节省外部电阻分压器成本与空间的固定选项，外部电阻分压器一般用于设置可调器件的输出电压。利用可调 LDO 可以设置输出，以提供内部参考电压，其一般为 1.2V 左右，只需把输出连接到反馈引脚。请与厂商确认是否具备该功能。

负载电流要求

在使用LDO时，负载的最大要求电流最好为LDO的额定输出电流的80%以下。

额定电流为比如 150mA 的 LDO 可能会在短时间内提供高出很多的电流。请查验最低输出电流限值规范，或者咨询有关厂商。

用电设备的功率不同，要求稳压器输出的最大电流也不相同。通常，输出电流越大的稳压器成本越高。

为了降低成本，在多只稳压器组成的供电系统中，应根据各部分所需要的电流值选择适当的稳压器。

封装与功耗

不要超过封装的最大功耗额定值。功耗可以采用PDISSIPATION = (VIN-VOUT)½/(IOUT + IQ) 进行计算。一般来说，封装尺寸越小，功耗越小。但是QFN封装可以提供极佳的散热性能。

负载大的LDO应尽可能选择大封装，这样有利于LDO性能稳定。

输出电容器

选择对电容器稳定性方面没有要求的LDO，可以降低尺寸与成本，另外还可以完全消除这些元件。请注意，利用较低ESR的大电容器一般可以全面提高PSRR、噪声以及瞬态性能。

陶瓷电容器通常是首选，因为它们价格低而且故障模式是断路。

负载调整率

负载调整率是众多电源设备一个非常重要的参数，它反映了电源抑制负载干扰的能力，负载调整率越低，输出负载对输出电压的影响越小，LDO的品质就越好。

开关电源

开关型电源（开关、调整器）是将晶体管开关电路或者FET开关电路与电感器或电容器组合构成的电源电路，效率高、能自由地升压和降压。

晶体管开关电路的设计

晶体管开关电路可以说是数字电路的基础。74LS、74ALS等著名的TTL IC的内部就是晶体管开关电路。但是IC的开关并不适合于直接处理大功率。

开关电路分析

如图5，从放大电路到开关电路。晶体管开关电路条件：晶体管增益很大，工作在饱和区域。