电源基础知识上课讲义.docx

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电源基础知识上课讲义

在通信电源中，主要用到两种类型的电源，分别为线性电源和开关电源，在这篇文档中，主要针对这两种类型的电源电路的工作原理进行简要的介绍，同时对相关参数和电源芯片的选取方法进行了简要介绍。

一、线性电源

这里要介绍的线性电源主要包括低压线性稳压电源LDO电路和芯片内部集成的LDO电路，下面针对这两种电路进行介绍。

1.1LDO电源

1.1.1LDO的基本原理

低压差线性稳压器（LDO）的基本电路如图1-1所示，该电路由串联调整管VT、取样电阻R1和R2、比较放大器A组成。

图1-1低压差线性稳压器基本电路

取样电压加在比较器A的同相输入端，与加在反相输入端的基准电压Uref相比较，两者的差值经放大器A放大后，控制串联调整管的压降，从而稳定输出电压。

当输出电压Uout降低时，基准电压与取样电压的差值增加，比较放大器输出的驱动电流增加，串联调整管压降减小，从而使输出电压升高。

相反，若输出电压Uout超过所需要的设定值，比较放大器输出的前驱动电流减小，从而使输出电压降低。

供电过程中，输出电压校正连续进行，调整时间只受比较放大器和输出晶体管回路反应速度的限制。

1.1.2LDO的主要参数

低压差线性稳压器LDO的主要参数如如下几个：

1）输出电压（OutputVoltage）

输出电压是低压差线性稳压器最重要的参数，也是电子设备设计者选用稳压器时首先应考虑的参数。

低压差线性稳压器有固定输出电压和可调输出电压两种类型。

固定输出电压稳压器使用比较方便，而且由于输出电压是经过厂家精密调整的，所以稳压器精度很高。

但是其设定的输出电压数值均为常用电压值，不可能满足所有的应用要求，但是外接元件数值的变化将影响稳定精度。

2）最大输出电流（MaximumOutputCurrent）

用电设备的功率不同，要求稳压器输出的最大电流也不相同。

通常，输出电流越大的稳压器成本越高。

为了降低成本，在多只稳压器组成的供电系统中，应根据各部分所需的电流值选择适当的稳压器。

3）输入输出电压差（DropoutVoltage）

输入输出电压差也是低压差线性稳压器重要的参数。

在保证输出电压稳定的条件下，该电压压差越低，线性稳压器的性能就越好。

比如，5.0V的低压差线性稳压器，只要输入5.5V电压，就能使输出电压稳定在5.0V。

4）接地电流（GroundPinCurrent）

接地电路IGND是指串联调整管输出电流为零时，输入电源提供的稳压器工作电流。

该电流有时也称为静态电流，但是采用PNP晶体管作串联调整管元件时，这种习惯叫法是不正确的。

通常较理想的低压差稳压器的接地电流很小。

5）负载调整率（LoadRegulation）

负载调整率可以通过图1-2和式1-1来定义，LDO的负载调整率越小，说明LDO抑制负载干扰的能力越强。

图1-2OutputVoltage&OutputCurrent

（1-1）

式中，△Vload—负载调整率

Imax—LDO最大输出电流

Vt—输出电流为Imax时，LDO的输出电压

Vo—输出电流为0.1mA时，LDO的输出电压

△V—负载电流分别为0.1mA和Imax时的输出电压之差

6）线性调整率（LineRegulation）

线性调整率可以通过图1-3和式1-2来定义，LDO的线性调整率越小，输入电压变化对输出电压影响越小，LDO的性能越好。

图1-3OutputVoltage&InputVoltage

（1-2）

式中，△Vline—LDO线性调整率

Vo—LDO名义输出电压

Vmax—LDO最大输入电压

△V—LDO输入Vo到Vmax'输出电压最大值和最小值之差

7）电源抑制比（PSSR）

LDO的输入源往往许多干扰信号存在。

PSRR反映了LDO对于这些干扰信号的抑制能力。

1.1.3LDO电源芯片的选取

低压降（LDO）线性稳压器的成本低，噪音低，静态电流小，这些是它的突出优点。

它需要的外接元件也很少，通常只需要一两个旁路电容。

LDO的输入电流基本上是等于输出电流的，如果压降太大，耗在LDO上能量太大，效率不高。

如果输入电压和输出电压很接近，最好是选用LDO稳压器，可达到很高的效率。

压差Dropout、噪音Noise、电源抑制比PSRR、静态电流Iq，这是LDO的四大关键数据。

在选择LDO时，需要考虑的基本问题包括输入电压范围、预期输出电压、负载电流范围以及其封装的功耗能力等。

1）输入、输出以及降低电压

选择输入电压范围可以适应电源的LDO。

在确定LDO是否能够提供预期输出电压时需要考虑其压降。

输入电压必须大于预期输出电压与特定压降之和，即VIN>VOUT+VDROPOUT。

如果VIN降低至必需的电压以下，则我们说LDO出现“压降”。

输出等于输入减去旁路元件的RDS（on）乘以负载电流。

选用可提供预期输出电压的LOD作为节省外部电阻分压器成本与空间的固定选项，外部电阻分压器一般用于设置可调器件的输出电压。

利用可调LDO可以设置输出，以提供内部参考电压，其一般为1.2V左右，只需把输出连接到反馈引脚。

2）负载电流要求

考虑负载需要的电流量并据此选择LDO。

3）封装与功耗

小型封装包括流行的3×3mmSOT-23、小型2.13×2.3mmSC-70以及亚1毫米高度封装、ThinSOT及无引线四方扁平封装（QFN）。

由于在下侧采用了能够在器件与PC板之间建立高效散热接触的散热垫，QFN因而可提供更好的散热特性。

一般来说，封装尺寸越小，功耗越小。

但是QFN封装可以提供极佳的散热性能，这种性能完全可与尺寸是其1.5～2倍的众多封装相媲美。

不要超过封装的最大功耗额定值。

功耗可以采用PDISSIPATION=（VIN-VOUT）/（IOUT+IQ）进行计算。

4）LDO拓扑与IQ

为了最大化电池的运行时间，需要选择相对于负载电流来说静态电流IQ较低的LDO。

例如，考虑到IQ只增加0.02％的微不足道的电池消耗，在100mA负载情况下，一般采用200μA的IQ比较合理。

另外，需要注意在数据表中对IQ是如何规定的。

某些器件是在室温条件下规定的，或者只提供显示IQ与温度关系的典型曲线。

尽管这些情况有用，但是并不能保证最大的静态电流。

如果IQ比较重要，则需要选择在所有负载、温度和工艺变量情况下都能保证IQ的器件，并且需要选择MOS类旁路器件。

5）输出电容器

典型LDO应用需要增加外部输入和输出电容器。

选择对电容器稳定性方面没有要求的LDO，可以降低尺寸与成本，另外还可以完全消除这些元件。

请注意，利用较低ESR的大电容器一般可以全面提高PSRR、噪声以及瞬态性能。

陶瓷电容器通常是首选，因为它们价格低而且故障模式是断路，相比之下钽电容器比较昂贵且其故障模式是短路。

输出电容器的等效串联电阻（ESR）会影响其稳定性，陶瓷电容器具有较低的ESR，大概为10豪欧量级，而钽电容器ESR在100豪欧量级。

另外，许多钽电容器的ESR随温度变化很大，会对LDO性能产生不利影响。

1.2芯片内部集成LDO电路

对于带有集成LDO电路的芯片，只要在外部加上适当的调节电路便可产生芯片所需的相应电压。

工作原理同1.1中介绍，这里不再赘述。

以芯片AR7240的内部集成LDO电路为例，如图1-4所示，该芯片内部集成了多个LDO电路，通过外部3.3V电压结合PNP二极管等即可为芯片电路提供工作所需的1.2V，2.5V等电压。

图1-4AR7240内部集成LDO电路

二、开关电源

开关稳压器利用无源磁性元件和电容电路元件的能量存储特性，从输入电压源获取分离的能量，暂时地把能量以磁场形式存储在电感器中，或以电场形式存储在电容器中，然后将能量转换到负载，实现DC/DC变换。

开关稳压器拓扑结构可分为两种基本类型：

非隔离型（在工作期间输入源和输出负载共用一个共同的电流通路）和隔离型（能量转换是用一个相互耦合磁性元件（变压器）来实现的，而且从源到负载的耦合是借助于磁通而不是共同的电器）。

三种基本的非隔离开关电源电路如图2-1所示，分别为BUCK降压电路，BOOST升压电路和BUCK/BOOST升降压电路；三种基本的非隔离开关电源如2-2所示，分别为反激变换器，正激变换器和桥式变换器。

图2-1三种基本的非隔离开关电源电路

图2-2三种基本的隔离开关电源电路

在低功率情况下，常用的开关电源电路有BUCK、BOOST和反激电路，接下来主要针对这几种电路进行相关工作原理的介绍。

2.1BUCK电路

BUCK基本电路如图2-3（A）所示，T是开关器件，D为续流二极管，L和C组成LPF滤波电路。

工作过程中，开关T和二极管D轮流导通，等效电路如图2-3（B）和2-1（C）所示。

当

时，控制信号使开关T导通，D截止，输入电压经T和L向C充电，这一电流使电感L中的储能增加，电容C充电；当

时，T截止，D续流，电感L感应出左负右正的电压，经负载R和续流二极管D释放电感L中储存的能量，输出电压U0靠C放电和L中电流下降维持。

图2-3BUCK基本电路

2.2BOOST电路

BOOST电路是一种开关直流升压电路，基本电路如图2-4所示。

开关管导通时，电源经由电感-开关管形成回路，电流在电感中转化为磁能贮存；开关管关断时，电感中的磁能转化为电能在电感端左负右正，此电压叠加在电源正端，经由二极管-负载形成回路，完成升压功能。

图2-4BOOST基本电路

下面要分充电和放电两个部分来说明这个电路。

1）充电过程

在充电过程中，开关导通，二极管截止，等效电路如图2-5，开关处用导线代替。

这时，输入电压流过电感。

二极管防止电容对地放电。

由于输入是直流电，所以电感上的电流以一定的比率线性增加，这个比率跟电感大小有关。

随着电感电流增加，电感里储存了一些能量。

图2-5BOOST电路充电过程

2）放电过程

如图2-6所示，这是当开关断开，二极管导通时的等效电路。

当开关断开时，由于电感的电流保持特性，流经电感的电流不会马上变为0，而是缓慢的由充电完毕时的值变为0。

而原来的电路已断开，电感只能通过新电路放电，即电感开始给电容充电，电容两端电压升高，此时电压已经高于输入电压了，升压完毕。

图2-6BOOST电路放电过程

说起来升压过程就是一个电感的能量传递过程。

充电时，电感吸收能量，放电时电感放出能量。

如果电容量足够大，那么在输出端就可以在放电过程中保持一个持续的电流。

如果这个通断的过程不断重复，就可以在电容两端得到高于输入电压的电压。

2.3反激电路

所谓反激式变压器开关电源，是指当变压器的初级线圈正好被直流脉冲电压激励时，变压器的次级线圈没有向负载提供功率输出，而仅在变压器初级线圈的激励电压被关断后才向负载提供功率输出，这种变压器开关电源称为反激式开关电源。

反激变压换的基本电路如图2-7所示，工作原理是：

主开关管S导通时，二次侧二极管D关断，变压器T储能；主开关管S关断时，二次侧二极管D导通，变压器T储能向负载释放。

反激变换器的变压器比较特殊，他兼起储能电感作用，称为储能变压器（或电感－变压器）。

在开关导通时间，能量存储在变压器的初级电感中。

注意同名端‘·’端，我们看到当开关截止时，漏极电压上升到输入电压，引起次级对地电压上升，这迫使二极管导通，提供输出电流到负载和电容充电。

图2-7反激电路

　为防止负载电流较大时磁心饱和，反激变换器的变压器磁心要加气隙，降低了磁心的导磁率。

在开关管关断时，反激变换器的变压器储能向负载释放，磁心自然复位，因此反激变换器无需另加磁复位措施．磁心自然复位的条件是：

开关导通和关断时间期间，变压器一次绕组所承受电压的伏乘积相等。

2.4电路拓扑的选择

最好你在设计一个电源之前，应当预先知道你的电源工作的系统。

详细了解此系统对电源的要求限制。

对系统透彻地了解，可大大降低成本和减少设计时间。

实际操作时，你可以从变换器要求的规范列一个表，并逐条考虑。

你将发现根据这些规范限制你以选择的拓扑仅是一个到两个，而且根据成本和尺寸拓扑选择很容易。

一般情况下，可根据以上各考虑选择拓扑：

1）输入与输出：

如果输出与输入共地，则可以采用非隔离的Buck，Boost共地变换器。

这些电路结构简单，元器件少。

如果输入电压很高，从安全考虑，一般输出需要与输入隔离。

在选择拓扑之前，首先应当知道输入电压变化范围内，输出电压是高于还是低于输入电压？

例如，Buck变换器仅可用于输出电压低于输入电压的场合，所以，输出电压应当在任何时候都应当低于输入电压。

如果输出电压始终高于输入电压，就得采用Boost拓扑。

如果输出电压与输入电压比太大（或太小）是有限制的，例如输入400V，要求输出48V还是采用Buck变换器，则电压比太大，虽然输出电压始终低于输入电压，但这样大的电压比，尽管没有超出控制芯片的最小占空比范围，但是，限制了开关频率。

而且功率器件峰值电流大，功率器件选择困难。

如果采用具有隔离的拓扑，可以通过匝比调节合适的占空比，达到较好的性能价格比。

2）占空度：

开关变换器的变换比（输出电压与输入电压比）太大或太小是有限制的。

首先，变换器占空比（开关导通时间与开关周期之比）受控制芯片最大和最小值的限制。

在有些拓扑中，占空比不能大于0.5。

总之，通用PWM控制IC芯片通常不保证占空比能大于0.85。

例如，开关频率为250kHz，周期为4µs，如果占空比是0.1，MOSFET的导通时间仅为0.4µs，要是MOSFET的开通时间为0.1µs，关断时间也为0.1µs，几乎大部分导通时间被过渡时间“吃”掉了，损耗加大。

这就是为什么变换功率越高，工作频率越低的原因之一。

3）需要多少组输出电压？

如果大于1,除非增加后续调节器，一般需要一个变压器。

如果输出组别太多，建议最好采用几个变换器。

4）是否需要隔离？

多少电压？

隔离需要变压器。

在设计前预先要知道次级与初级是否需要隔离。

如输入由电网或高压供电，作为商品有安全规范（以及EMI问题）需要隔离的要求。

典型的例子是输入与输出有500V交流耐压要求。

知道安全要求后，有些拓扑，像没有隔离的Buck,Boost等将排除在外。

5）EMI要求是什么？

如果要求严格，建议不要采用像Buck一类输入电流断续的拓扑，而选择电流连续工作模式。

6）是否要求电源空载？

电感（包括反激变压器）电流（安匝）连续还是断续：

在断续模式的变换器中，电感电流在周期的某些时刻电流为零。

电流（安匝）连续是要有足够的电感量维持最小负载电流ILmin（包括假负载），在周期的任何时刻电感都应当有电流流通。

在实际电源设计时，一般电源有空载要求，又不允许电感体积太大，在轻载时肯定断续，在这种情况下，有时设置假负载，并当负载电流超过使假负载断开，否则可能引起闭环控制的稳定性问题，应当仔细设计反馈补偿网络。

2.5DC/DC芯片的选取

选择使用DC/DC电源模块除了最基本的电压转换功能外，还有以下几个方面需要考虑：

1）额定功率

一般建议实际使用功率是电源模块额定功率的30～80%为宜（具体比例大小还与其他因素有关，后面将会提到），这个功率范围内电源模块各方面性能发挥都比较充分而且稳定可靠。

负载太轻造成资源浪费，太重则对温升、可靠性等不利。

2）封装形式

电源模块的封装形式多种多样，符合国际标准的也有，非标准的也有，就同一公司产品而言，相同功率产品有不同封装，相同封装有不同功率，那么怎么选择封装形式呢?

主要有三个方面：

①一定功率条件下体积要尽量小，这样才能给系统其他部分更多空间更多功能;

②尽量选择符合国际标准封装的产品，因为兼容性较好，不局限于一两个供货厂家;

③应具有可扩展性，便于系统扩容和升级。

选择一种封装，系统由于功能升级对电源功率的要求提高,电源模块封装依然不变,系统线路板设计可以不必改动,从而大大简化了产品升级更新换代，节约时间。

3）温度范围与降额使用

一般厂家的电源模块都有几个温度范围产品可供选用：

商品级、工业级、军用级等，在选择电源模块时一定要考虑实际需要的工作温度范围，因为温度等级不同材料和制造工艺不同价格就相差很大，选择不当还会影响使用，因此不得不慎重考虑。

可以有两种选择方法：

一是根据使用功率和封装形式选择，如果在体积（封装形式）一定的条件下实际使用功率已经接近额定功率，那么模块标称的温度范围就必须严格满足实际需要甚至略有裕量。

二是根据温度范围来选，如果由于成本考虑选择了较小温度范围的产品，但有时也有温度逼近极限的情况，怎么办呢?

降额使用。

即选择功率或封装更大一些的产品，这样“大马拉小车”，温升要低一些，能够从一定程度上缓解这一矛盾。

降额比例随功率等级不同而不同，一般50W以上为3～10W/℃。

总之要么选择宽温度范围的产品，功率利用更充分，封装也更小一些，但价格较高;要么选择一般温度范围产品，价格低一些，功率裕量和封装形式就得大一些。

应折衷考虑。

4）工作频率

一般而言工作频率越高，输出纹波噪声就更小，电源动态响应也更好，但是对元器件特别是磁性材料的要求也越高，成本会有增加，所以国内电源模块产品开关频率多为在300kHz以下，甚至有的只有100kHz左右，这样就难以满足负载变条件下动态响应的要求，因此高要求场合应用要考虑采用高开关频率的产品。

另外一方面当电源模块开关频率接近信号工作频率时容易引起差拍振荡，选用时也要考虑到这一点。

鼎立信电源模块开关频率最高可达500kHz，具有优良的输出特性。

5）隔离电压

一般场合使用对电源模块隔离电压要求不是很高，但是更高的隔离电压可以保证电源模块具有更小的漏电流，更高的安全性和可靠性，并且EMC特性也更好一些，因此目前业界普遍的隔离电压水平为1500VDC以上。

6）故障保护功能

有关统计数据表明，电源模块在预期有效时间内失效的主要原因是外部故障条件下损坏。

而正常使用失效的机率是很低的。

因此延长电源模块寿命、提高系统可靠性的重要一环是选择保护功能完善的产品，即在电源模块外部电路出现故障时电源模块能够自动进入保护状态而不至于永久失效，外部故障消失后应能自动恢复正常。

电源模块的保护功能应至少包括输入过压、欠压、软启动保护;输出过压、过流、短路保护，大功率产品还应有过温保护等。

7）功耗和效率

输出功率一定条件下，模块损耗功耗越小，则效率越高，温升就低，寿命更长。

除了满载正常损耗外，还有两个损耗值得注意：

空载损耗和短路损耗（输出短路时电源模块损耗），因为这两个损耗越小，表明模块效率越高，特别是短路未能及时采取措施的情况下，可能持续较长时间，短路损耗越小则因此失效的机率也大大减小。

当然损耗越小也更符合节能的要求。