德州仪器最全面的电源知识汇总

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总结
• DC-DC 变换器的类型 • 变换器的基本特性 • 变换器简单比较
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DC-DC 基础知识
1.2 线性稳压器
什么是线性稳压器？
• 线性稳压器是一种无需使用开关元件而能提供一个 恒定电压输出的 DC-DC 转换器。 • 线性稳压器因其低成本、低噪声及简单易用等特性 而在众多应用中得到了非常广泛的使用。 • 但是，线性稳压器也存在着效率有限以及不能提升 电压（使 Vout > Vin）的缺点。
– 该规格指标对于需要始终保持运行的应用（如基带、实时 时钟等）很重要。
• 电源抑制比 (PSRR) – 已调输出电压纹波与输入电 压纹波之比。
– 该规格指标对于具有高噪声限制要求的应用（如低噪声放 大器、音频、RF 和无线等）很重要
• 基带噪声 – 某个特定频率范围内的总噪声能量
– 该规格指标对于具有高噪声限制要求的应用（如 PLL、 TCXO、RF 和无线等）很重要
非同步降压
Q1 L
非同步
1. 在输出电流变化的情况下，二极管 压降相对较恒定 （Vf vs If） 2. 效率偏低 3. 成本较低 4. 比较适宜较高的输出电压
D1
C0
同步降压
Q1 L
同步
C0
Q2
1. MOSFET 具有较低的压降 2. 更高效 3. 需要额外的控制电路确保死区和下 管驱动信号 4. 成本较高
DC-DC 基础知识
1.1 介绍
什么是 DC-DC 变换器？
电源无处不需 几乎所有的电子系统都需要恒压电源 或者恒流电源
DC-DC 变换器是用于提供 DC 电源的电路 数据转换器 DC-DC 变换器
工业电源
放大器
太阳能电池 电源
另一个转换器
负载
微处理器
电阻器
电池
另一级变换器
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变换器的类型
• • 线性型
Vout -
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D2D 变换器特性
• • • • • • 系统基本要求：输出电压、额定电流、输入电压范围 效率： 轻载，满载，甚至整个负载范围效率曲线 稳态特征：稳压精度 瞬态响应： 输入线调整率，负载调整率等 功率密度： 尺寸，布局 成本 、温升…
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线性稳压器
应用 5V
+ 能量传输元件
误差放大器 栅极 驱动
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线性稳压器的工作原理是什么？
• 线性稳压器和输出阻抗一起形成了一个分压器网络。 • 线性稳压器的作用就像受控的可变电阻器，其可根 据输出负载自我调节以保持一个稳定的输出。
+
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压降电压
• 压降电压 – 为使线性稳压器处在稳压器的指定工作 范围之内，VIN 与 VOUT 之间可接受的最小压差。
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线性稳压器的类型
D = 占空比（开关处于为 L 充电之位 置的时间百分比） D’ = 1-D
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基本拓扑
• 三种基本的直流开关变换器拓扑：降压、升压和升降 压
降压
VIN
升压
VOUT
VIN
VOUT
Vout = D*Vin 降压-升压
VIN
Vout = Vin/(1-D)
VOUT
Vout = -DVin/(1-D)
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同步与非同步
反相增益
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电压倍增器(倍压电路）
• 下面所示的电压倍增器电路在拓扑中仍然具有单个电容 器，只是连接有所不同 • 4 个开关的切换依然不变
– S1、S3 导通，S2、S4 断开，增益相位 – S1、S3 断开，S2、S4 导通，公共相位
• 不过，在公共相位中，输入电源仍然连接至电容器： Vout=Vc+Vin=2Vin
3.3V
+ Vref 负载
• 要求极低纹波和噪声的射频或高精度模拟（测量非 常小的电压）电路 • VIN 和 VOUT 的压差较小的应用或者压差大电流小 • 需要一个电压精度比较高的应用 • 要求针对负载的快速变化实现快速瞬态响应的 FPGA 或多内核处理器
优点
• 低输出纹波和噪声 • 面对大的负载变化，可在 VOUT 上实现快速瞬态响 应 • 低成本（简单，外部器件少，多用于小功率） • 极少的外部组件使得线性稳压器易于设计 • 由于线性稳压器不工作在开关模式，不会有开和关 的电压电流跳变，无噪声源，无需担心 EMI 问题 • 易于实现短路保护
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电源变换器比较
• 变换器类型的选择取决于电源设计的优先考虑因素。
线性 稳压器 效率 纹波 EMI 噪声 PCB 面积 成本 Vo/Vin 一般偏低 非常低 非常低 非常小 最低
开关稳压器 电感性 80 至 95% 轻载效率低 低 中等 最大 最高 充电泵 75 至85% 参考 中等 低 中等 中等
– 从电源向负载连续输送功率 – 传输能量器件（如晶体管、场效应管）其负责调节从电源至负载的电流流动）工作于线性区
开关电源型
– 以脉宽方波的形式从电源向负载输送功率 – 开关元器件周期性的开通和关断 （根据控制技术不同有定频,变频, 混合型）
+
Vin – +
Vout Vref
Vin
C L
L-C Components Switchers
是
是
是
高 PSRR（在 20Hz 至 200kHz 频率范围内）
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总结
• • • • 线性稳压器介绍 线性稳压器的类型 LDO 的压降 LDO 选择过程中的考虑因素
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DC-DC 基础知识
1.3 开关稳压器
什么是开关稳压器？
• 开关稳压器是一种采用开关组件输送功率的 DCDC 转换器。 • 它可提供高电源转换效率和设计灵活性
• 要求高效率（输入功率与输出功率之差极小） 的应用 • 具有极高环境温度的应用（例如：工业和汽车） • VIN 高于、等于、小于 VOUT 负压出的应用（此拓扑 正压出需隔离，或者由升压变换器变换为Vo负极加 于输入的正极) • 高功率密度场合 • 要求高输出功率的应用
优点
• 由于稳压是通过将能量转入电感器或从电感器转出 来完成的（而不是通过稳压器来消耗功率），因此：
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开关稳压器的工作原理是什么？
• 电感负责储存能量及向输出负载释放能量；电感根据开 关管的开通从输入端获得能量。 • 降压型转换器实例：
– 当切换至位置 1 时，电感器将储存能量；当切换至位置 2 时， 电感器将释放能量 – 电感器上的平均电压为零：D(Vin-Vo)-D’Vo=0 => Vout = D*Vin
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隔离式与非隔离式
• 隔离式变换器在输入和输出之间没有电流回路，原副边不同地。 • 变压器通过磁场将能量从初级耦合至次级 • 隔离式变换器通常在需要提供初级至次级不同地，高可靠性、防雷、耐 高压等，如隔离的医疗电源 • 并非标准负载点电源（POL）解决方案所常用
变压器耦合
AC 输入
横跨隔离边界的信号反馈回路 通常需要一个光耦合器做隔离
• 在 LDO 数据表中，只规定了最大输出电流条件下的压 降。在其他的工作条件下，压降可以通过计算求出。 • LDO 中使用的 FET 工作于线性区。FET 在饱和线上具 有最小的电阻。LDO 不能在饱和线的左侧区域中工作。
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其他的重要规格
• 静态电流 – 由稳压器所消耗且不流向输出负载的电 流。
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电荷泵的工作原理是什么？
• 电容器连接利用开关来改变，从而达到控制充电和放电 的目的 • 开关 S1、S3 和 S2、S4 以互补的方式切换：
– S1、S3 导通，S2、S4 断开，充电 – S1、S3 断开，S2、S4 导通，放电
• 通过反转输出至地的连接，单位增益变换器将变为负增 益反相器
单位增益
+ Vin C L
L-C Components Switchers
Vout -
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优缺点
优点
缺点
• • • • • • •
高效率 优良的热性能 高功率密度 允许宽输入电压范围 Vout 可以低于或高于 Vin 可利用变压器提供隔离 可利用变压器提供多个输出
• 开关操作会产生较高的输出纹波和噪 声 • 缓慢的瞬态响应 • 高复杂性（因为涉及更多的外部组件和 设计变量）
缺点
• 在 VIN>>VOUT 的情况下效率偏低，因而需要使用 一个较大的供电电源， 效率=Vo/Vin • 利用稳压器产生功率 (VIN – VOUT) * IOUT 通过稳压器耗散，通常需要一个散热器 • VOUT 将始终低于 VIN
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电感储能型开关电源
应用
升降压型负压输出变换器为例
VIN VOUT
– – – – – 可获得较高的效率 通过稳压器耗散的功率较低，故只需一个较小的散热器即可。 开关电源拓扑允许 VOUT 高于、低于或等于 VIN 高功率/cm2 可允许较宽的输入电压范围
缺点
• 需要将电流周期性通过开关管，电压产生周期性的 尖峰震荡，并且电流通过电感，因此会：
– 产生电磁干扰 (EMI， DM，CM，RFI） – 导致输出对负载瞬变的响应速度减慢 – 产生较高的输出纹波和噪声
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优缺点
优点
缺点
• 低输出纹波和噪声，无 EMI 问题（因为 没有开关切换操作） • 低成本 • 简单 – 所需的外部组件极少，易于配 置和设计 • 面对大的负载阶跃，可在 Vout 上实现 快速瞬态响应 • 易于实现短路保护
• 低效率，特别是当 Vin - Vout 电压差很 大时 • 热问题 – 面对高功率和/或大压差电压， 将会由于此类稳压器的固有损失而产 生大量的热量 • Vout 必须低于 Vin
• 更多的外部组件和设计变量使开关电源难于设计
• 可提供隔离（利用变压器 转为反激变换器） • 可提供多个输出（利用变压器多绕组输出）
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电荷泵
应用 Q 1 C F Q 3
• 需要一个低输出电流的应用 • 具有中等的输入-输出电压差的应用 • 存在空间限制的应用
+
VIN
Q 2
VCF+
Q 4
Co
Io +
• 全集成型稳压器
• 部分集成型稳压器
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总结
• 开关稳压器介绍 • 开关稳压器的工作原理 • 开关稳压器的类型
– 基本拓扑 – 同步与非同步 – 隔离式与非隔离式
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DC-DC 基础知识
1.4 电荷泵稳压器
什么是电荷泵稳压器？
• 电荷泵稳压器是一种只通过电容器的交替式充电和 放电来输送功率的开关稳压器。 • 它适合于具有低负载电流及中等输入 – 输出电压差 的应 用
LOA D
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V o
缺点
• 将电容器接入电路及从电路接出会产生电磁干扰 (EMI) • 由于电荷泵的输出取决于电容器的充电和放电，因 此其电流供应能力受到限制
优点
• 中等效率 • 由于电荷泵将电容器两端的电压接入输出端及从输 出端接出，因此：
– 无需电感器 – VOUT 可高于、低于和等于 VIN
• 较少的组件使电荷泵更易于设计
具有功率因数校正 (PFC) 功能的初级侧开关模式电源
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控制器与稳压器
• 控制器
– – – – – – – – – – – – – 分立式 MOSFET 负责提供控制功率级所需的“智能” 设计更加精细复杂 可全面控制 FET 选择、开关频率、过流、补偿、软起动 可通过优化设计调整使电源满足您的特殊需求 集成型开关 “即插即用型” 设计 输出滤波器组件的选择范围受限 对于功能性的控制受限 可提供全部或部分特性集，内部或外部补偿 内部功率 FET、外部同步 FET 或箝位二极管 对于频率、过流、软起动等功能的控制受限 可提供较宽的输出滤波器组件选择范围
• 线性稳压器中的元件可以是双极型晶体管或 MOSFET。不 同的配置将产生不同的压降电压 • 双极型线性稳压器具有较高的压降电压，并能支持较高的输 入电压且拥有更好的瞬态响应。 • MOSFET LDO 能支持非常低的压降、低静态电流、改善的 噪声性能和低电源抑制。
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有关 LDO 压降的更多信息
电压倍增器
通过交换 Vin 和 Vout，相 同的倍增器电路将产生原 先一半的增益
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更多的增益组合
• 在充电泵中内置了两个电容器，通过改变连接组合 可产生许多不同的增益 • 下图示出了两个电容器的一些连接配置以及所能实 现的最终增益：
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LDO 的选择
应用 低 Iq 低压降 高 PSRR 低噪声 高电流 注释
LNA、PLL 基带 – 数字 基带 – 模拟 TCXO 实时时钟 音频 是 是 是 是
是
是
定义了系统噪声底层值。需 要低噪声的 LDO 始终保持接通
是 是 是
始终保持接通。需要抑制输 入纹波和低压降 在中频 (IF) 部分使用，用于 在系统中实现低噪声 始终保持接通
Q 1 +
CF
Q 3 Q 4
VIN
Q 2
VCF +
Io
+
Co
LOAD
Vo 2
优缺点
优点
缺点
• • • •
无需电感器，尺寸较小 中等效率，高于线性稳压器 Vout 可以高于或低于 Vin 所需的组件较少，因而使得充电泵设计 的难度和成本有所下降
• 开关操作会产生较高的输出纹波和噪 声 • 输出电流能力受限于电容器