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1、, Tel:,低压电源设计,电子系统设计,电源的分类,什么是Power Supply?,Power Supply,负载,Vin, Iin,Power Supply是一种提供电力能源的设备，它可以将一种电力能源形式转换成另外一种电力能源形式，并能对其进行控制和调节。,上级电能形式,Vo, Io,f, phase,f, phase,根据转换的形式分类: AC/DC, DC/DC, DC/AC, AC/AC,根据转换的方法分类: 线性电源，相控电源，开关电源,根据调控的效果分类: 稳压， 恒流， 调频，调相,根据调控的方法分类: 传统反馈控制，矢量控制，数位控制,2,衡量电源的重要指标,1。稳压系数
2、（线性调整率Line Regulation） K=U/ Ui; S= (Uo/ Uo)/(Ui/Ui) 2.负载调整率(Load Regulation) 在额定输入电压下，负载电流从零变到满载电流时，输出电压最大的相对变化量，商品化电源都在3%以内。 3.内阻 R=Uo/ Io 4.纹波 输出电压的纹波包括噪声的绝对值大小（峰峰值） 5.纹波电压抑制比(PSRR) Uiw/Uow 6.响应时间 负载改变开始到电源输出电压稳定需要的时间 7.效率 =Pi/Po;,3,一.线性电源基础,1。串联调整型,调整管,取样电阻,比较放大,基准电压,4,2。并联联调整型,VaVbI3I1I2Va,5,串联型
3、：效率比并联型高；由于交流纹波电流与信号退耦回路重叠因此干扰较大；响应速度不如并联型； 并联型：效率很低；干扰小；响应快，适合于功率放大器等要求响应快的场合 但不论是串联型还是并联型线性稳压电源的交流纹波电流都远小于开关电源。,串联型电路中所谓的交流噪声较大，只是相对于并联型而言，当相对于开关型电源则其额外附带的噪声极小；,6,二.线性电源的应用,串联稳压电源应用一：,7,串联稳压电源应用二：,恒流源做Q8负载，提高交流反馈增益，减小反馈误差；,8,串联稳压电源应用三：,选择可低压工作，噪声较低，最好是轨对轨的双极型精密运算放大器，GBW不能高，在10MHz以下；,D2可避免U1工作在较低的输
4、出电压状态，否则电源无法输出较低电压,9,电子滤波器降低噪声，提高电源噪声抑制比，可将噪声抑制到uV级别；相当于扩大了滤波电容到N倍；故滤波效果也提升了N倍；,10,并联稳压电源应用一：,11,前置放大器的甲类并联稳压电源（应用二）,恒流源,差分误差放大器，类似于运算放大器,并联调整管,适用于对噪声要求极高的发烧级音响前置放大电路的供电电源设计,12,前置放大器中用过两种稳压电源，一种为一般的三端稳压，另一种为带有源伺服的三端稳压，效果均不很理想。后来试制了一并联甲类稳压电源，效果满意，电路如下图。该稳压电路由三部分构成，第一部分为恒流输出电路，由BG1BG4及D1、D2，R1、R2等构成，恒
5、流电流由D1、R1、D2、R2的电压和电阻值确定，约160mA，足以驱动任何纯甲类前置放大器。第二部分由BG5BG12等构成误差电压放大电路。第三部分由BG13BG16组成分流控制电路。当输出电压发生变化时，由R11R14检测到的误差信号送到差分放大级放大后，由其集电极输出去控制BG15、BG16的分流电流，改变分流调整管的导通压降，达到稳压的目的。制作时，BG1、BG2、BG15、BG16要加上小型散热器，R1、R2、R17、R18用2W以上电阻，余下电阻用1/4W的金属膜电阻即可，小功率三极管全部用Y档（在120240之间），不用配对，调整R12使正负电源对称，然后用固定电阻代替即可。,1
6、3,过压保护电路,14,1A跟随器,15,Linear Voltage Regulator介绍,工频（50/60Hz）变压器（AC-AC）,开关电源（AC-DC）,开关电源（DC-DC）,线性调压电源（DC-DC）,调压器种类（降压）,功能框图,调整管,参考电平,比较放大器,Vi,Vo,R1,R2,反馈 电压,VoVref X (1R2/R1) - AMS1117,1084,1085系列 VoVref X (1R1/R2) - TPS763xx系列,过流保护,过热保护,调整管种类,达林顿NPN,PNPNPN,PNP,PMOS,PMOS+NMOS,电路形式,控制电路,Vi,Vo,RO,Ib,调压
7、器工作模式可以用NPN晶体管的电流特性曲线描述（如右图）。 工作区间分为线性区和饱和导通区。 正常工作时使用的是饱和导通区。,等效电路,Vo,RO,Ri,Vo,RO,Ib,Ib,在线性区，等效一个可变电阻 在饱和区，等效一个受控的电流源 电流源： *Ib,工作原理：正常工作区（饱和调整区间）,工作点P0对应工作输出电流为Ic2 当负载变大，输出电流增加到Ic3时， P0移动到P2 在P2工作点的时候，如果这个时候输入 电压Vi增大，而输出电压不变，Vce就会相应 增大，因此，工作点由P2移动到P2 同理在P2状态下，输入电压Vi减小，工作 点将由P2移动到P1 如果输入电压进一步下降，会使得控
8、制环路 无法正常调整，输出电压将随输入电压下降而下降。 跌落区,工作原理：跌落区（线性调整区）,输出电压跌落区可以定义为稳压器的输 输入电压过低，使得内部调整电路无法 正常工作输出电压随着输入电压的降低 而降低。 Ib1对应线性区Rj等效电阻Vce/Ic最大 Ib7对应线性区Rj等效电阻Vce/Ic最小 右图工作点由P1移动到P2后，输入电压 进一步降低，P2开始进入跌落区 进入跌落区后，输入电压进一步减小， Ib也会相应减小，工作点移动到P3 输入电压再进一步减小，工作点达到Pto 输出电压关闭,输入电压特性,右图是输入电压/输出电压关系坐标图 （以TPS76333 3.3VLDO为例） 2
9、.3V以下为关断区 2.3V到3.6V为跌落区 3.6V到10V为正常调节区,性能参数,Dropout Voltage（最小工作压差）： 调压器正常工作所必须的输入输出之间的电压差。它由调整管类型，拓扑 结构决定。 a）达林顿NPN：Vdropout=Vce(sat)+2*Vbe1.62.5V b） PNPNPN： Vdropout=Vce(sat)+Vbe0.91.3V c） PNP： Vdropout=Vce(sat)0.150.4V d） PMOS，PMOSNMOS： Vdropout=Io*Ron35350mV b) ,c)和d) 又称为LDO (Low Dropout Voltage
10、 Regulator) 2. Quiescent Current（静态电流）：越小越好 静态电流输入电流输出电流， IqIiIo 静态电流包括偏置电流，调整管驱动电流 （没有流出电压输出管脚的部分）。 它由调整管 类型，拓扑结构，温度决定。 晶体管是电流驱动型，MOS管是电压驱动型， MOS的Iq比晶体管小。,性能参数,3. 效率：越高越好 效率Io*Vo/(Io+Iq)*Vi) *100 压差越小，效率越高 静态电流越小，效率越高,5种常用的调整管参数对比,性能参数,4. Line Regulation（线性调整率）：越小越好 Line Regulation指的是在相同负载，不同输入电压时，
11、输出端电压的稳定能力。 物理公式：Vo/ Vi=(1+R2/R1)/(*ga*(Ro+Rce) :调整管的增益, ga:比较放大的增益 *ga:环路增益，提高环路增益，负载越小，调整管内阻越小，线性调整 性能越好。 5. Load Regulation（负载调整率）：越小越好 Load Regulation指的是在不同负载，相同输入电压时，输出端电压的稳定能力。 物理公式：Vo/ Io=(1+R2/R1)/(*ga) :调整管的增益, ga:比较放大的增益 *ga:环路增益，提高环路增益，可以提高负载调整率。 附：Line/Load Regulation测试方法： 为了减小温度影响，保证结温恒
12、定，测试时使用低 占空比的测试信号。（ 60uS脉动周期，输入电压变化， 输出负载变化）,性能参数,6. Thermal Regulation（热调整率）：越小越好 指在加固定输入电压，带固定负载后的t（通常几十mS）时间内，查看输出 电压的变化率。测试结果扣除前60uS的Load/Line调整率。 如：测试输入6V，负载Io=100mA, t10mS 7. Temperature Stability（温度稳定度）：越小越好 指在正常工作的温度范围内，在固定输入电压，带固定负载，输出电压的变化率 AMS1084：正常工作温度结温：0150度，稳定度0.5% 8. Transient Respo
13、nse（瞬态反应）：越小越好 指在输出电流Io突变的时候，输出电压跳变的最大电压值。 物理公式： Vtr,max=(Io,max* t1)/(Co+Cb)+ Vesr t1:第一个脉冲宽度 Co：输出滤波电容 Vesr：Co的ESR产生的电压 Cb：退耦电容 减小滤波电容ESR，增大滤波电容， 减短反应时间t1，提高瞬态反应性能,性能参数,9. Ripple Rejection（纹波抑制比）：越小越好 又称为电源抑制比，是指输入电压发生变化时，输出电压的变化率，用dB表示。这个和前面的线性调整率有点相似。但是纹波抑制比加入了对输入电压变化的频率的定义。因此，更详细说是输入电压在不同按照不同频率
14、变化时，输出电压的变化率。也就是说，提到纹波抑制比参数需要带频率参数。 如：AP1122：在输入电压变化为120Hz时，纹波抑制比是60dB。 右下图是纹波抑制比曲线图和线性调整率一样提高环路增益可以提高纹波抑制 性能，另外使用大容值，低ESR滤波电容也可以提高性能。,使用注意,输出电容ESR（Tunnel of Death)： 反馈：输出电压通过电阻分压采样后和内部的参考电压一起分别送入比较放大器 的”-”,”+”端，比较放大器控制调整管，保证输出电压稳定。为了保证器件工作稳定 通常都是采用负反馈，也就是反馈信号和输出信号在极性相差180度。而使用中由于 有相位偏移存在，实际很难保证完整的1
15、80度。一个稳定的电路，需要有20度的相 位余量。 由频域波特图分析外部滤波电容ESR对 相位影响比较大，太大，太小都会影响器件 稳定性。厂商会根据器件给出输出滤波ESR 的范围（如右图） ESR取值范围在0.29欧姆。此外，容值 建议1000uF，容值太大容易造成上电瞬间 损坏调整管。,使用注意,2. 反馈电阻网络精度的影响： Vo=( R1+ R2)/(R1 R1)*Vref R1的精度对稳定的精度影响较大。 3. 热设计： a）Junction temperature：内部半导体温度 b）Case temperature：器件外壳温度 c）Ambient temperature:环境温度
16、 d）Thermal Resistance：热阻，每1W功耗对应的温升，单位/W，温升有相对关系，比如相对于环境温度的温升。 e）Junction to Ambient thermal Resistance( ja)：结点到环境的热阻。和IC封装，材料，PCB layout，空气对流因数相关。 f）Junction to Case thermal Resistance( jc)：结点到外壳热阻，和IC封装，材料相关。 Regulator的消耗功率Pd(Vi-Vo)*Io 器件的结温Pd*ja+环境温度(Vi-Vo)*Io* ja+环境温度,总结,1）稳压器正常工作时，调整管工作在饱和导通区。 2）最小压差： a）达林顿NPN： Vdopout=Vce(sat)+2*Vbe1.62.5V b） PNPNPN： Vdropout=Vce(sat)+Vbe0.91.3V c） PNP： Vdropout=Vce(sat)
