基于LDO線性穩(wěn)壓器的開關(guān)電源設計

電源是各種電子設備必不可缺少的組成部分，電源的性能直接關(guān)系到電子設備的技術(shù)指標及能否安全可靠地工作。目前常用的直流穩(wěn)壓電源分線性電源和開關(guān)電源兩大類，由于開關(guān)電源內(nèi)部關(guān)鍵元器件工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，本身消耗的能量很低，開關(guān)電源效率可達80%~90%，比普通線性穩(wěn)壓電源提高近一倍，目前已成為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品?！　?/P>

開關(guān)穩(wěn)壓電源的結(jié)構(gòu)

圖1畫出了開關(guān)穩(wěn)壓電源的原理圖及等效原理框圖，它是由全波整流器，開關(guān)管Vi，激勵信號，續(xù)流二極管VD，儲能電感和濾波電容C組成。實際上，開關(guān)穩(wěn)壓電源的核心部分是一個直流變壓器。這里我們對直流變換器和逆變器作如下解釋。逆變器，它是把直流轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣鞯难b置。逆變器通常被廣泛地應用在采用電平或電池組成的備用電源中。直流變換器，它是把直流轉(zhuǎn)換成交流，然后又把交流轉(zhuǎn)換成直流的裝置。這種裝置被廣泛地應用在開關(guān)穩(wěn)壓電源中。采用直流變換器可以把一種直流供電電壓變換成極性、數(shù)值各不同的多種直流供電電壓。

開關(guān)穩(wěn)壓電源的優(yōu)點和缺點　　

開關(guān)穩(wěn)壓電源優(yōu)點：　　

功耗小，效率高。在圖1中的開關(guān)穩(wěn)壓電源電路中，晶體管V在激勵信號的激勵下，它交替地工作在導通—截止和截止—導通的開關(guān)狀態(tài)，轉(zhuǎn)換速度很快，頻率一般為50kHz左右，在一些技術(shù)先進的國家，可以做到幾百或者近1000kHz。這使得開關(guān)晶體管V的功耗很小，電源的效率可以大幅度地提高，其效率可達到80%。　　

體積小，重量輕。從開關(guān)穩(wěn)壓電源的原理框圖可以清楚地看到這里沒有采用笨重的工頻變壓器。由于調(diào)整管V上的耗散功率大幅度降低后，又省去了較大的散熱片。由于這兩方面原因，所以開關(guān)穩(wěn)壓電源的體積小，重量輕?！　?/P>

穩(wěn)壓范圍寬。從開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出電壓是由激勵信號的占空比來調(diào)節(jié)的，輸入信號電壓的變化可以通過調(diào)頻或調(diào)寬來進行補償。這樣，在工頻電網(wǎng)電壓變化較大時，它仍能夠保證有較穩(wěn)定的輸出電壓。所以開關(guān)電源的穩(wěn)壓范圍很寬，穩(wěn)壓效果很好。此外，改變占空比的方法有脈寬調(diào)制型和頻率調(diào)制型兩種。開關(guān)穩(wěn)壓電源不僅具有穩(wěn)壓范圍寬的優(yōu)點，而且實現(xiàn)穩(wěn)壓的方法也較多，設計人員可以根據(jù)實際應用的要求，靈活地選用各種類型的開關(guān)穩(wěn)壓電源?！　?/P>

濾波的效率大為提高，使濾波電容的容量和體積大為減少。開關(guān)穩(wěn)壓電源的工作頻率目前基本上是工作在50kHz，是線性穩(wěn)壓電源的1000倍，這使整流后的濾波效率幾乎也提高了1000倍；即使采用半波整流后加電容濾波，效率也提高了500倍。在相同的紋波輸出電壓下，采用開關(guān)穩(wěn)壓電源時，濾波電容的容量只是線性穩(wěn)壓電源中濾波電容的1/500～1/1000。電路形式靈活多樣，有自激式和他激式，有調(diào)寬型和調(diào)頻型，有單端式和雙端式等等，設計者可以發(fā)揮各種類型電路的特長，設計出能滿足不同應用場合的開關(guān)穩(wěn)壓電源?！?/P>

開關(guān)穩(wěn)壓電源缺點：　　

開關(guān)穩(wěn)壓電源的缺點是存在較為嚴重的開關(guān)干擾。開關(guān)穩(wěn)壓電源中，功率調(diào)整開關(guān)晶體管V工作在開關(guān)狀態(tài)，它產(chǎn)生的交流電壓和電流通過電路中的其他元器件產(chǎn)生尖峰干擾和諧振干擾，這些干擾如果不采取一定的措施進行抑制、消除和屏蔽，就會嚴重地影響整機的正常工作。此外由于開關(guān)穩(wěn)壓電源振蕩器沒有工頻變壓器的隔離，這些干擾就會串入工頻電網(wǎng)，使附近的其他電子儀器、設備和家用電器受到嚴重干擾?！　?/P>

目前，由于國內(nèi)微電子技術(shù)、阻容器件生產(chǎn)技術(shù)以及磁性材料技術(shù)與一些技術(shù)先進國家還有一定的差距，因而造價不能進一步降低，也影響到可靠性的進一步提高。所以在我國的電子儀器以及機電一體化儀器中，開關(guān)穩(wěn)壓電源還不能得到十分廣泛的普及及使用。特別是對于無工頻變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源中的高壓電解電容器、高反壓大功率開關(guān)管、開關(guān)變壓器的磁芯材料等器件，在我國還處于研究、開發(fā)階段。在一些技術(shù)先進國家，開關(guān)穩(wěn)壓電源雖然有了一定的發(fā)展，但在實際應用中也還存在一些問題，不能十分令人滿意。這暴露出開關(guān)穩(wěn)壓電源的又一個缺點，那就是電路結(jié)構(gòu)復雜，故障率高，維修麻煩。對此，如果設計者和制造者不予以充分重視，則它將直接影響到開關(guān)穩(wěn)壓電源的推廣應用。當今，開關(guān)穩(wěn)壓電源推廣應用比較困難的主要原因就是它的制作技術(shù)難度大、維修麻煩和造價成本較高。

目前市場上出售的開關(guān)電源中采用雙極性晶體管制成的開關(guān)頻率100kHz，用MOS-FET制成的開關(guān)頻率500kHz電源。開關(guān)電源的突出缺點是產(chǎn)生較強的EMI。EMI信號既具有很寬的頻率范圍，又有一定的幅度，經(jīng)傳導和輻射會污染電磁環(huán)境，對通信設備和電子產(chǎn)品造成干擾。如果處理不當，開關(guān)電源本身就會變成一個干擾源。當用開關(guān)電源做為LDO的輸入VIN時要注意LDO電源抑制比和功耗。

電源抑制比 (PSRR，Power supply ripple rejection ratio)是反應LDO輸出對輸入紋波抑制能力的一個交流參數(shù)，一般輸出和輸入的頻率是一樣的，PSRR的值越大說明LDO的紋波能力越強，也就是說輸入對輸出的影響很小。盡管LDO的電源抑制比很強，但都是在一定頻率內(nèi)的抑制很強，一般的在50KHz到200kHz的電源抑制比還是很差的如圖4為SGM2007的PSRR和頻率曲線，而這段頻率正是大多數(shù)開關(guān)電源的工作頻率，如果LDO的負載和輸入輸出電容匹配不好，很容易引起LDO振蕩。而造成整個LDO供電系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

目前市場上出售的開關(guān)電源大多數(shù)都是固定電壓輸出的，一般常用都是5V輸出的，而一般的LDO應用最多的是3.3V輸出的，在開關(guān)電源的輸出做為LDO的輸入時，就存在一個很大的壓差，為1.7V。如果LDO電流很大的話如200mA，那么芯片的溫度就會很高，功耗很大，長時間工作在高溫的情況下，會影響芯片的工作壽命?！　?/P>

低壓差線性穩(wěn)壓器功耗主要是輸入電壓，輸出電壓以及輸出電流的函數(shù)。下列方程式可用來計算最惡劣情況下的功耗：　　

PD=(VINMAX-VOUTMIN)ILMAX。其中:PD = 最惡劣情況下的實際功耗，VINMAX = VIN 腳上的最大電壓，VOUTMIN=穩(wěn)壓器輸出的最小電壓，ILMAX=最大(負載) 輸出電流。

最大允許功耗(PDMAX) 是最大環(huán)境溫度(*AX), 最大允許結(jié)溫(TJMAX) (+125℃) 和結(jié)點到空氣間熱阻(qJA) 的函數(shù)。對于安裝在典型雙層FR4 電解銅鍍層PCB板上的5引腳SOT-23封裝器件，其(qJA)約為250℃/Watt?！　?/P>

PDMAX=(*AX- TJMAX)/ qJA　　

VINMAX=3.0V+10%，VOUTMIN=2.7V-2.5%，ILOADMAX=40mA，TJMAX= +125℃，*AX = +55℃　　

實際功耗PD=26.7mW，最大允許功耗: PDMAX="280mW"?！　?/P>

結(jié)語　　

當開關(guān)電源做為低壓差線性穩(wěn)壓器輸入時，一定要注意開關(guān)電源的紋波，開關(guān)頻率對LDO的影響，及LDO負載電容的匹配，不要超過最大功耗，以影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。