电源基础知识之 |
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电源基础知识之
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简介：在每个产品电路系统设计中“电源”都是非常重要的部分，一个好的电源决定了电路能否稳定的工作。图1所示的为常见的DCDC电源的种类。本文会先带大家了解使用LDO必须掌握的重要参数，并以TI 的LM1117为来举例说明。 
(图1) 一.LDO的典型应用电路 LDO分为固定输出电压模式和可调输出电压模式,其中图2(a)为固定电压输出模式，图2(b)为可调输出电压模式。
图2(a)
图2(b) 二.LDO的工作原理 图3是一个网上找到的LDO内部框图，可以比较直观的理解LDO的工作原理。如图3所示，可以看到LDO有由R1和R2组成的反馈电阻、电压基准源，误差放大器，导通元件（导通元件由晶体管/MOSFET组成，此处为MOS管）四个模块组成。LDO是如何实现电压的稳定输出的呢？LDO内部的导通元件处于线性电阻区，相当于压控可变电阻。假设输出电压
V
O
U
T
V_{OUT}
VOUT降低了，那么反馈电压值
V
A
D
J
V_{ADJ}
VADJ也随之减低，通过误差放大器输出的电压增大，即栅极电压增大，漏源之间的电流增大，MOS管的导通内阻减小，输出电压增大，从而保证了输出电压的稳定，这是负反馈的思想。 图3 LDO的内部框图 三.关键参数介绍1.压差（Dropout Voltage) 这个参数越小越好 我们都知道LDO是低压差线性稳压器，这里的压差是指为了维持稳定的输出电压，输入电压至少要比输入电压大的数值 ，压差在数据手册中常用 V d r o p V_{drop} Vdrop表示。那为什么LDO存在压差呢，这个特性是由于LDO的结构所决定的，上文我们了解LDO工作原理时已经知道了LDO内部的通路元件由晶体管/MOSFET组成，由于晶体管/MOSFET 导通时工作在线性区，也就是我们常说的导通内阻 R d s ( o n ) R_{ds}(on) Rds(on)，所以LDO必然存在压差。 目前想要实现更低的压差，LDO 导通元件通常采用MOSFET，因为MOS管的导通内阻小，可以实现较小的压差，晶体管的导通内阻较大。压差不是一个静态的值，还和输出电流、温度等因素有关，如输出电流越大压差越小、温度越大，压差越大，我们在设计时要根据实际应用的情况选择合适的LDO。（从图4可以看出LM1117输出电流大小不同时，压差值也会发生相应的变化) 2.电源电压抑制比(PSRR) 这个参数越大越好 计算公式： P S R R = 20 l o g 10 R i p p l e i n R i p p l e o u t PSRR=20log_{10}\frac{Ripple_{in}}{Ripple_{out}} PSRR=20log10RippleoutRipplein 其中 R i p p l e i n Ripple_{in} Ripplein为输入电压纹波的峰值电压， R i p p l e o u t Ripple_{out} Rippleout 为输出电压纹波的峰值电压。 PSRR表示LDO抑制由输入电压波动造成的输出电压波动的能力。以LM1117为例，在120HZ时，LDO可以抑制的电压纹波为75dB(即输入电压变化值，引起的输出电压变化值仅为输入电压的 1.7 8 − 4 1.78^{-4} 1.78−4倍)，正是因为LDO的这个特性，所以很多设计会在DCDC后级加LDO，可以很好的抑制系统的输出纹波。
3.负载调整率（Load regulation) 这个参数越小越好 计算公式： 负 载 调 整 率 = Δ V o u t Δ I o u t 负载调整率=\frac{\Delta V_{out}}{\Delta I_{out}} 负载调整率=ΔIoutΔVout 负载调整率是指在输入电压一定的情况下，输出电压随负载电流变化而产生的变化量。从定义可以看出，负载调整率越小越好，当负载电流突然变化时，引起的输出变化越小，LDO负载瞬态性能就越好。在负载电流缓慢变化时，负载调整率很小，表示LDO输出电压基本不变。但是负载电流快速变化时，输出电压就会发生变化，当如图6所示，当负载电流突然增加时，输出电压会有一个下冲。 4.线性调整率（Line Regulation） 这个参数越小越好 计算公式： 线 性 调 整 率 = Δ V o u t Δ V i n 线性调整率=\frac{\Delta V_{out}}{\Delta V_{in}} 线性调整率=ΔVinΔVout 线性调整率是指在负载保持不变的情况下，输入电压变化导致输出电压变化的量。从定义可以看出，线性调整率越小越好。和负载调整率一样，输入电压的变化速率也对输入瞬态响应有较大的影响。当输入电压缓慢变化，输出电压基本不变。但是输入电压快速变化时，输出电压就会发生变化，如图8所示，当输入电压跳变时，输出电压出现了尖峰脉冲。
5.静态电流(Quiescent Current) 这个参数越小越好 LDO的静态电流是通路元件的偏流和驱动电流的组合。 6.效率 计算公式: 效 率 = V o u t ∗ I o u t V i n ∗ ( I o u t + I q ) 效率=\frac{V_{out}*I_{out}}{V_{in}*(I_{out}+I_{q})} 效率=Vin∗(Iout+Iq)Vout∗Iout，其中 I q I_{q} Iq 表示静态电流。 输入电流等于输出电流加上静态功耗，由定义可知，当LDO处在轻载或空载时，静态电流就非常重要，静态电流越小，效率就越高。同时减下输入与输出电压之间的压差也可以提高效率。 7.功耗 计算公式： P D = ( V i n − V o u t ) ∗ I o u t + V I N ∗ I Q P_D=(V_{in}-V_{out})*I{out}+V_{IN}*I_Q PD=(Vin−Vout)∗Iout+VIN∗IQ 想要LDO功耗小，就需要减小静态电流和输入与输出电压之间的压差。 假设我们需要使用图10所示的静态电流为15mA的LDO，假设输出电流为800mA，输入电压5V，输出电压3.3V时，计算可知功耗为 P D = ( 5 − 3.3 ) ∗ 0.8 + 5 ∗ 0.015 = 1.435 W P_D=(5-3.3)*0.8+5*0.015=1.435W PD=(5−3.3)∗0.8+5∗0.015=1.435W 假设当LDO处于轻载输出电流为1.7mA时（参数见图11），输入电压5V，输出电压3.3V时，计算可知功耗为：
P
D
=
(
5
−
3.3
)
∗
0.0017
+
5
∗
0.015
=
0.07789
W
P_D=(5-3.3)*0.0017+5*0.015=0.07789W
PD=(5−3.3)∗0.0017+5∗0.015=0.07789W 看起来消耗的功耗不是很高，但是，静态电流消耗的功耗就占据了96.3%的功耗！像物联网的设备基本上都处于待机的状态，如果静态电流过高，会缩短产品可待机的时间，甚至降低电池的使用寿命。所以在进行产品电源部分设计时，静态功耗是需要关注的很重要参数。 8.热阻（ R Θ J A R_{\Theta JA} RΘJA） 热阻体现了LDO采样不同封装时的散热效率。 R Θ J A R_{\Theta JA} RΘJA值越大，表示该封装的散热效果越差，反之，散热效果好。通常封装越大， R Θ J A R_{\Theta JA} RΘJA值越小。热阻的单位为℃/W,表示器件每产生1W的功耗，温度会升高的值。 9.结温（ T J T_J TJ） 计算公式：$T_J=T_A+R_{\Theta JA}*P_D$, 其中$T_A $ 表示封装所处的环境温度 ( ℃ ) 结温指电子设备中半导体的最高工作温度。它通常高于外壳温度和器件表面温度。 如图12所示， LM117的结温范围为0~125℃，$P_D$=1.435W 时，环境温度为25℃时，封装SOT-223$的T_J$=113.4 ℃，当环境温度为40 ℃时，$T_J$=128.4 ℃ 大于了器件的最高结温范围，说明该封装不合适。我们应根据实际使用的情况合理选择封装，不能一味追求小尺寸。 如果器件结温超过最高工作温度，器件中的晶体管就可能会被破坏。如果不得已只能选用对应的封装，那么就需要采取相应的措施，常见的方法是增加散热器来使器件产生的热量尽快散发到环境中，但是增加散热器会增加板子的体积。 (图12) 10.布局 除了上文提到的增加散热器的方法，在布局方面也可以通过一些技巧降低结温，如增大输入层、输出层、接地层的尺寸，可以有效地使热量通过焊盘散出。同时需要注意，LDO摆放的位置远离发热器件，避免受到其他器件温升的影响。图13为LM1117 手册推荐的LAYPUT 布线，可以看出电源的输入和输出端均采用了大面积铜皮走线的形式来加快散热。 |
(图4)
(图5)
(图6) 
(图7)
(图8) 
(图9)
(图10)
(图11)
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