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1、线性稳压器和开关模式电源的基本概念关键字：线性稳压器 开关模式电源 SMPS 摘要本文阐述了线性稳压器和开关模式电源(SMPS) 的基本概念。目的是针对那些对电源设计和选择可能不很熟悉的系统工程师。文章说明了线性稳压器和 SMPS 的基本工作原理，并讨论了每种解决方案的优势和劣势。以降压型转换器为例进一步解释了开关稳压器的设计考虑因素。引言如今的设计要求在电子系统中有越来越多的电源轨和电源解决方案，且负载范围从几mA(用于待机电源)到 100A 以上 (用于 ASIC 电压调节器)。重要的是必需选择针对目标应用的合适解决方案并满足规定的性能要求，例如：高效率、紧凑的印刷电路板(PCB)空间、准
2、确的输出调节、快速瞬态响应、低解决方案成本等。对于系统设计师来说，电源管理设计正成为一项日益频繁和棘手的工作，而他们当中许多人可能并没有很强的电源技术背景。电源转换器利用一个给定的输入电源来产生用于负载的输出电压和电流。其必需在稳态和瞬态情况下满足负载电压或电流调节要求。另外，它还必须在组件发生故障时对负载和系统提供保护。视具体应用的不同，设计师可以选择线性稳压器(LR) 或开关模式电源(SMPS)解决方案。为了选择最合适的解决方案，设计师应熟知每种方法的优点、不足和设计关注点，这是十分重要。本文将着重讨论非隔离式电源应用，并针对其工作原理和设计的基本知识作相关介绍。线性稳压器线性稳压器的工作
3、原理我们从一个简单的例子开始。在嵌入式系统中，可从前端电源提供一个 12V 总线电压轨。在系统板上，需要一个 3.3V 电压为一个运算放大器( 运放)供电。产生 3.3V 电压最简单的方法是使用一个从 12V 总线引出的电阻分压器，如图 1 所示。这种做法效果好吗？回答常常是“ 否” 。在不同的工作条件下，运放的 VCC 引脚电流可能会发生变化。假如采用一个固定的电阻分压器，则 IC VCC 电压将随负载而改变。此外，12V 总线输入还有可能未得到良好的调节。在同一个系统中，也许有很多其他的负载共享 12V 电压轨。由于总线阻抗的原因，12V 总线电压会随着总线负载情况的变化而改变。因此，电阻
4、分压器不能为运放提供一个用于确保其正确操作的 3.3V 稳定电压。于是，需要一个专用的电压调节环路。如图 2 所示，反馈环路必需调整顶端电阻器 R1 的阻值以动态地调节 VCC 上的 3.3V。图 1：电阻分压器采用 12V 总线输入产生 3.3VDC。图 2：反馈环路调整串联电阻器 R1 的阻值以调节 3.3V。此类可变电阻器可利用一个线性稳压器来实现，如图 3 所示。线性稳压器使一个双极性或场效应功率晶体管(FET) 在其线性模式中运作。这样，晶体管起的作用就是一个与输出负载相串联的可变电阻器。从概念上说，如需构建反馈环路，可由一个误差放大器利用一个采样电阻器网络(R A 和 RB)来检测
5、 DC 输出电压，然后将反馈电压 VFB 与一个基准电压VREF 进行比较。误差放大器输出电压通过一个电流放大器驱动串联功率晶体管的基极。当输入 VBUS 电压下降或负载电流增大时，V CC 输出电压下降。反馈电压 VFB 也将下降。因此，反馈误差放大器和电流放大器产生更多的电流并输入晶体管 Q1 的基极。这将减小电压降VCE，因而使 VCC 输出电压恢复，这样一来 VFB=VREF。另一方面，如果 VCC 输出电压上升，则负反馈电路采取相似的方式增加 VCE 以确保 3.3V 输出的准确调节。总之，V O 的任何变化都被线性稳压器晶体管的 VCE 电压所消减。所以，输出电压 VCC 始终恒定
6、并处于良好调节状态。图 3：线性稳压器可实现一个可变电阻器以调节输出电压。为什么采用线性稳压器？长期以来，线性稳压器一直得到业界的广泛采用。在开关模式电源于上世纪 60 年代后成为主流之前，线性稳压器曾经是电源行业的基础。即使在今天，线性稳压器仍然在众多的应用中广为使用。除了简单易用之外，线性稳压器还拥有其他的性能优势。电源管理供应商开发了许多集成型线性稳压器。典型的集成线性稳压器只需要 VIN、 VOUT、FB 和任选的 GND 引脚。图 4 示出了一款典型的 3 引脚线性稳压器 LT1083，它是凌力尔特公司在 20 多年前开发的。该器件仅需一个输入电容器、输出电容器和两个反馈电阻器以设定
7、输出电压。几乎所有的电气工程师都可以运用这些简单的线性稳压器来设计电源。图 4：集成型线性稳压器实例：只有 3 个引脚的 7.5A 线性稳压器。一个缺点线性稳压器会消耗大量的功率采用线性稳压器的一个主要缺点是其运行于线性模式之串联晶体管 Q1 会有过大功率耗散。如前文所述，线性稳压器从概念上讲是一个可变电阻器。由于所有的负载电流都必须经过串联电阻器，故其功率耗散为 PLOSS=(VINVO)IO。在该场合中，线性稳压器的效率可由下式快速估算：于是在图 1 所示的例子中，当输入为 12V 且输出为 3.3V 时，线性稳压器的效率仅为27.5%。在此场合中，72.5%的输入功率完全浪费掉了，并在稳
8、压器中产生了热量。这意味着晶体管必须具备在最坏情况下(最大 VIN 和满负载)处理其功率/热耗散的热能力。因此，线性稳压器及其散热器的尺寸可能很大，特别是在 VO 远远低于 VIN 的时候。如图 5 所示，线性稳压器的最大效率与 VO/VIN 之比成比例。图 5：线性稳压器的最大效率与 VO/VIN 之比的关系。另一方面，线性稳压器可以在 VO 接近 VIN 的情况下具有非常高的效率，然而，线性稳压器(LR)存在另一个局限性，即 VIN 和 VO 之间的最小电压差。LR 中的晶体管必须在其线性模式中运作。于是，其在双极型晶体管的集电极至发射极两端或 FET 的漏极至源极两端需要一个确定的最小电
9、压降。当 VO 过于接近 VIN 时，LR 也许不再能够调节输出电压。那些能够在低裕量(V INVO)条件下工作的线性稳压器被称为低压差稳压器(LDO) 。另外，还有一个明显之处就是线性稳压器或 LDO 只能提供降压 DC/DC 转换。在那些要求 VO 电压高于 VIN 电压，或者需要从一个正 VIN 电压产生负 VO 电压的应用中，线性稳压器显然是不起作用。具均流功能的线性稳压器可提供大功率8对于需要更大功率的应用，必须把稳压器单独地安装在一个散热器上以散逸热量。在全表面贴装型系统中，这并非可选方案，因此功率耗散的限制条件(比如 1W)使输出电流受到限制。不幸的是，要想直接通过线性稳压器的并
10、联来散播产生的热量并不容易。用一个高精度电流源取代图 3 中所示的电压基准，将允许直接把线性稳压器并联起来以分散电流负载，从而在 IC 之间传播消散的热量。这使得可以在高输出电流的全表面贴装型应用中使用线性稳压器，在此类应用中，电路板上的任何单一点中只能耗散有限的热量。LT3080 是首款能够通过并联使用以提供较大电流的可调型线性稳压器。如图 6 所示，该器件具有一个连接至运算放大器同相输入端的高精度零温度系数(TC)10A 内部电流源。利用单个外部电压设定电阻器 RSET，可以在 0V 至(V INVDROPOUT)的范围内调节线性稳压器的输出电压。图 6：利用单个电阻器完成设定的 LDO
11、LT3080 具有一个高精度电流源基准。如图 7 所示，通过并联 LT3080 以实现均流是十分容易的。只需把各个 LT3080 的SET 引脚连接在一起；两个稳压器就能共享同一个基准电压。由于运算放大器经过精确的修整，因此调节引脚与输出之间的失调电压小于 2mV。在该场合中，仅需要 10m的镇流电阻( 其可以是一个小的外部电阻器与 PCB 走线电阻之和) 即可平衡负载电流并实现优于80%的均衡共享。需要更大的功率吗？即使并联 510 个器件也是合理的。图 7：通过两个 LT3080 线性稳压器的并联来提供更高的输出电流。线性稳压器更为可取的的应用在很多应用中，线性稳压器和 LDO 可提供优于
12、开关电源的解决方案，包括：1. 简单/低成本的解决方案。线性稳压器和 LDO 简单易用，特别适合于那些具有低输出电流、热应力不很关键的低功率应用。无需外部功率电感器。2. 低噪声/低纹波应用。对于那些对噪声敏感的应用( 例如：通信和无线电设备 )而言，最大限度地抑制电源噪声是非常关键的。线性稳压器具有非常低的输出电压纹波(因为没有频繁接通和关断的组件)，而且线性稳压器还可以拥有非常高的带宽。所以，几乎不存在EMI 问题。有些特殊的 LDO(比如：凌力尔特的 LT1761 LDO 系列) 在输出端的噪声电压低至 20VRMS。这么低的噪声水平 SMPS 几乎是不可能实现的。即使采用 ESR 非常
13、低的电容器，SMPS 的输出纹波往往也将达到 mV 级。3. 快速瞬态应用。线性稳压器反馈环路一般都是内置的，因此无需外部补偿。相比于SMPS，线性稳压器通常具有较宽的控制环路带宽和较快的瞬态响应。4. 低压差应用。对于那些输出电压接近输入电压的应用来说，LDO 可能比 SMPS 更有效。有非常低压差 LDO(VLDO)，例如：凌力尔特的 LTC1844、LT3020 和 LTC3025，这些器件可提供 20mV 至 90mV 的压差电压和高达 150mA 的电流。最小输入电压可低至0.9V。由于 LR 中没有 AC 开关损耗，因此 LR 或 LDO 的轻负载效率与其满负载效率很相近。SMPS
14、 常常因其 AC 开关损耗的缘故而具有较低的轻负载效率。在轻负载效率同样十分关键的电池供电型应用中，LDO 可提供一种优于 SMPS 的解决方案。总之，设计师之所以使用线性稳压器或 LDO，原因就在于其具有简单、低噪声、低成本、易于使用以及可提供快速瞬态响应等特性。如果 VO 接近于 VIN，LDO 也许比 SMPS效率更高。为什么使用开关模式电源？一个脱口而出的回答是：效率高。在 SMPS 中，晶体管运作于开关模式而不是线性模式。这意味着，当晶体管导通并传导电流时，其电源通路两端的电压降是最小的。当晶体管关断并隔离高电压时，其电源通路中几乎没有电流通过。所以半导体晶体管很像一个理想的开关。晶
15、体管中的功率损失于是得到了最大限度的减少。高效率、低功率耗散和高功率密度( 小尺寸)是设计师用 SMPS 替代线性稳压器或 LDO(特别是在大电流应用中)的主要原因。例如：现今的 12VIN、3.3V OUT 开关模式同步降压型电源通常能够实现 90%的效率，而线性稳压器则不到 27.5%。这意味着至少可以使功耗和尺寸减少 8 倍。最普及的开关电源降压型转换器图 8 示出了最简单和最普及的开关稳压器降压型 DC/DC 转换器。其具有两种操作模式，取决于晶体管 Q1 是接通还是关断。为了简化讨论，假设所有的功率器件都是理想的。当开关(晶体管)Q1 接通时，开关节点电压 VSW=VIN，而且电感器
16、 L 电流由(V INVO)充电。图 8(a)示出了该电感器充电模式中的等效电路。当开关 Q1 关断时，电感器电流通过续流二极管 D1，如图 8(b)所示。开关节点电压 VSW=0V，电感器 L 电流由 VO 负载放电。由于理想二极管不能在稳态中拥有 DC 电压，因此平均输出电压 VO 可由下式给出：式中的 TON 为开关周期 TS 之内的导通时间间隔。如果把 TON/TS 之比定义为占空比D，则输出电压 VO 为：当滤波电感器 L 和输出电容器 CO 的数值足够高时，输出电压 VO 是一个仅具有 mV 级纹波的 DC 电压。在这种场合中，对于一个 12V 输入降压电源，从概念上讲 27.5%的占空比可提供一个 3.3V 的输出电压。图 8：降压型转换器操作模式和典型波形。除了上面的取平均法之外，还有另一种推导占空比方程式的方法。理想电感器不能在稳态中拥有 DC 电压。因此它必须在一个开关周期之内保持电感器伏特 -秒平衡。根据图 8中的电感器电压波形，伏特-
