LDO线性稳压器与开关电源的原理

线性稳压器LDO典型代表:LM7805 ,AMS1117,还有一下性能比较好的LDO:

LDO线性稳压器与开关电源的原理_第1张图片

开关稳压器典型代表:LM2596,MP1584,TPS5430,MP2315S

LDO靠发热分散能量,纹波较小一般在30mv以下;DCDC通过开关开断转换,能量是不连续的但是转化效率高;LDO的静态功耗比较小因此在低功耗的场景中用的比较多;LDO的外围电路器件比较少,电磁干扰基本无需考虑但对于LDO的散热问题需要格外注意最简单只需输入输出电容即可。

电源电路PCB设计规范:通顺,防干扰(反馈电路注意要与电感远离防止干扰)

LDO的内部工作原理介绍:

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电路的输出电压为5V时其余7V施加到了三极管身上,三极管的输出电流约等于β输入电流,此时三极管工作在线性放大区,因而电路叫做线性稳压器。

比较器的正端连接到稳压二极管,负端连接到电路的输出端。参考电压为3.3V,当输出电压大于5V时Vs > 3.3V,此时比较器把差值传递给两个检测电阻从而使得输出电压变化。

实际的 LDO早已经将上述的封装到一个芯片内部。

LDO的核心器件主要包括差分放大器和功率晶体管。差分放大器用于控制功率晶体管的导通和截断,通过调整功率晶体管的开启程度来控制输出电压的稳定性。当输入电压高于输出电压时,差分放大器将关闭功率晶体管,以防止输出电压过高。当输入电压接近输出电压时,差分放大器打开功率晶体管,以保持输出电压稳定。此外,LDO还由放大器、反馈电阻等部分组成。通过R1和R2电阻对Vout输出电压进行分压采样,然后和LDO内部的参考电压Vref进行比较,差值经过放大器放大后控制驱动VT。当Vout减小时,电阻分压采样值和Vref的差值变大,放大器的输出电压变大,使VT压降变小。当Vout增加时,电阻分压采样值和Vref的差值变小,放大器的输出电压变小,使VT压降变大。通过上述方式,使Vout稳定维持在设定值。

自举升压电路是一种利用自举升压二极管、自举升压电容等电子元件的电路,通过电容放电电压和电源电压的叠加,使电压升高。这种电路通常用于甲乙类单电源互补对称电路中,能够提供高于电源电压的电压,以满足电路的需要。

LDO功耗计算涉及到以下几个因素:

静态电流(IQ):这是LDO在正常工作条件下不进行电压调节时的电流消耗。

输入电压(VIN):这是给LDO供电的电压。

输出电压(VOUT):这是LDO调节后的输出电压。

转换效率(η):这是LDO将输入电压转换为输出电压的效率。

根据这些因素,可以采用以下公式计算LDO的功耗:

PD=(VIN-VOUT)xIOUT+(VINxIQ) 其中 PD 为总功耗,IOUT 为负载电流。当 LDO 完全运行时,这个公式能提供有效的计算。

 开关电源:

常见的DC/DC拓扑结构有六种基本类型,分别是Buck(降压型)、Boost(升压型)、Buck-Boost(升降压型)、Cuk、Zeta和Sepic变换器。此外,还有半桥变换器,这是一种双端变换器,开关管电压应力为输入电压。由于另外一个桥臂上的电容,具有抗偏磁能力,对于半桥变换器,通常还会加隔直电容来提高抗偏磁能力。但是如果采用峰值电流控制,可能会导致电容安秒不平衡的问题,需要其他方法来解决。

Buck电路的核心器件主要包括开关管、电感、续流二极管和滤波电容。其中,开关管负责控制电源的降压,电感用于储存能量,续流二极管用于在开关管关闭时为电感提供续流通道,而滤波电容则用于滤除输出电压中的纹波。

异步Buck和同步Buck电路是DC-DC转换器中的两种基本形式(很关键),有以下不同点:工作原理:异步Buck电路通过控制开关管的通断来调节输出电压,开关管快速通断,使得输出电压保持稳定。而同步Buck电路则是通过控制开关管和整流管的通断来调节输出电压,通过改变开关管和整流管的导通时间来调整输出电压的大小。电路复杂性:异步Buck电路相对于同步Buck电路来说,电路比较简单,因为不需要使用同步控制电路。但是同步Buck电路则需要使用同步控制电路,以控制开关管和整流管的通断时间。输出电压的调节范围:异步Buck电路的输出电压调节范围较小,通常只能在几百毫伏到几伏之间调节。而同步Buck电路的输出电压调节范围较大,可以从几百毫伏到几十伏之间调节。效率:异步Buck电路的效率相对较低,因为开关管和整流管都有一定的损耗。而同步Buck电路的效率较高,因为开关管和整流管的损耗较小。

BUCK电路的占空比计算公式为:D=Vout/Vin,其中D为占空比,Vout为输出电压,Vin为输入电压。这个公式可以理解为,在BUCK电路中,输出电压与输入电压的比值就是占空比。

Buck电路中的保护电路包括过电流保护电路和过电压保护电路。过电流保护电路主要用于防止电路中的电流过大,以保护电路不受损坏。通常通过检测电路中的电流来实现过电流保护。当检测到的电流超过设定的阈值时,保护电路会触发,将电路关闭或降低其输出。过电压保护电路主要用于防止电路中的电压过高,以保护电路不受损坏。通常通过检测电路中的电压来实现过电压保护。当检测到的电压超过设定的阈值时,保护电路会触发,将电路关闭或降低其输出。此外,Buck电路中还有其他保护功能,如短路保护和欠压保护。短路保护用于在电路发生短路时及时关闭电路或降低其输出,以避免造成严重后果;欠压保护用于在输入电压过低时关闭电路或降低其输出,以避免造成不稳定的输出电压。

在异步Buck和同步Buck电路设计时,需要考虑以下器件参数:

开关管和整流管的电压、电流容量。根据电路的负载电流和电压来选择合适的开关管和整流管,以确保它们能够承受电路中的电压和电流。开关管的开关速度。开关速度会影响到Buck电路的转换效率,较高的开关速度可以提高效率。因此,需要选择具有较高开关速度的开关管。整流管的反向恢复时间。对于同步Buck电路,整流管的反向恢复时间会影响到电路的效率。较短的恢复时间可以降低能量损失,提高电路效率。电阻和电容的值。在Buck电路中,电阻和电容的取值会影响到输出电压的精度、纹波和响应速度等性能指标。需要根据电路要求进行合理选择。热性能。由于Buck电路中的开关管和整流管在工作时会发热,需要考虑它们的散热性能,以确保电路的正常运行。总的来说,异步Buck和同步Buck电路设计时需要考虑的器件参数主要包括电压、电流容量、开关速度、反向恢复时间、电阻和电容的值以及热性能等。这些参数的选择对于电路的性能和可靠性至关重要,需要根据实际的应用需求进行合理选择。

电容两端电压不能突变,下图失真真的很常见:

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解决方法:在电容前面加上电阻或者是电感,电感的电流不能突变正好抑制了电容所带来的影响。加入电感后电源的输出确实变为了三角波,但电感的电流不能突变因此需要引入二极管作为电感续流,又叫做续流二极管。二级管的续流作用通过MOS开关断开时与负载形成回路实现。二极管也有压降意味着二极管也会有功损耗消耗能量。所以此处二极管用MOS管平替的话是一种减小损耗的方案,这种方案也叫同步整流电路,用二级管的电路叫做同步整流电路。可以用MOS管搭建这种电路进行实验,模拟降压效果。

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开关电源的同步整流芯片分为两类:一种是面向电流小于5A的电流,这种内部集成MOS,叫做converter转换器;另一种是面向大电流场景,需要用户自己外置MOS(MOS发热比较严重),叫做controler。一般采用converter芯片叫做控制器,外围电路比较简单。这样开关电源电路就变成了这样简单:

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静态电流是指输出电流为0时候芯片本身消耗的电流,在低功耗场景中非常重要。除此之外开关频率也很重要。芯片的外围电路一把数据手册直接给出来了,直接照抄即可。在以上电路中电感的感值一定范围内越大输出纹波越小(计算公式参考手册),除此之外流过电感的电流要小于电感的饱和电流(随着电感上电流增加电感的感值减小,人为电感失效的电流成为电感的饱和电流)输入电容越大越好,输出电容越大纹波越小,也不能太大。

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DC/DC直流变直流,ACDC交流变直流

AC-DC:

电路原理图参考模电课本最后一章节。交流电经过全桥整流(四个二极管一正一负接入AC,同正同负部分接入DC),滤波,稳压得到直流输出点电压。

电源常见的整流方式主要有以下三种:

半波整流:只有半个周期的电流通过负载,另一半周期电流不通过负载。这种方式电路简单,但效率低,只利用了半个周期的电压,因此主要用于对效率要求不高的场合。

全波整流:电流在每个周期内都有正向和反向的流动。这种方式效率较高,但由于需要使用整流桥堆等元件,电路相对复杂。

桥式整流:桥式整流是全波整流的变种,通过增加一个额外的二极管来平衡电流的正负流向,使电源效率达到最高。这种方式在许多应用中都得到了广泛的应用。

电源的操作无非一下几点:降压,升压,逆变,整流

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