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电源的设计 - 方案确定

需求分析#

电源设计的范畴(DC/DC):

  • 线性稳压

    • 三端稳压器
    • 低压差线性稳压(LDO)
  • 开关稳压

    • 非隔离
      • Buck
      • Boost
      • Buck-Boost
    • 隔离
      • 正激
      • 反激
  • 电源 IC

    • 多路输出
    • 充电 IC
  • 功能:输入电压、电流(变动范围);输出电压、电流等,还要达到总体的功率指标,实现系统最大转换效率。

  • 性能:输出电压上的纹波大小、带负载的能力、效率、发热程度等

  • 成本:系统综合成本,不仅计算核心器件,还要包括外围器件,比如电感或线圈、电容、驱动 MOSFET 管等等;板卡面积的增加也会导致系统成本的增加;设计工具、测试设备等等可能带来的系统成本的增加也都一并考虑在内。

  • 空间:任何一个电子产品都是有空间尺寸的限制的,尤其是电源部分在一个电子产品中放置的位置是非常讲究的,要考虑到周边其它电路的空间位置、关键接插件的位置及方向,还有散热、干扰在空间的分布等因素。

  • 时间点:电子产品都有其设计到生产的生命周期,设计的难易程度、元器件的选择等都会直接影响到产品的上市时间,任何一个项目都要以产品规定的时间节点为基础做项目进程的规划。

方案确定#

选择拓扑结构#

首先,根据输入电压 Vin 和输出电压 Vout 来选择:

  • 输入 Vin > 输出 Vout
    • 压差不大、负载电流小、要求低噪声 —— LDO
    • 压差大、负载电流大、噪声不是特别敏感 —— 开关 Buck
    • 负载电流小、噪声不敏感、要求效率高 —— 电荷泵
  • 输入 Vin < 输出 Vout
    • 小功率 —— 电荷泵
    • 压差大、负载电流大、噪声不是特别敏感 —— 开关 Boost
  • 输入变化范围大,可能大于或小于输出
    • 小功率 —— 电荷泵
    • 负载电流大、噪声不是特别敏感 —— 开关 Buck-Boost
  • 如果需要隔离
    • 选择隔离拓扑结构如 flyback、forward、push-pull、全桥等。

线性稳压与开关稳压(buck)的直观区别:

把输出电压类比为从水龙头的出水量,LDO 需要出多少水就把水龙头开多大;而对 Buck 型开关稳压来说,水龙头只能有开和关两个状态,所以必须快速开关,通过改变占空比来控制出水量。

线性稳压与开关稳压的参数对比:

线性稳压开关稳压
效率低(30% ~ 60%)高(70% ~ 90%)
稳压模式只能降压降压、升压、反压
发热量
体积
重量
稳定度一般
噪声有(需噪声对策)

线性稳压 由工作在线性状态的三极管构成可变电阻对负载进行恒流控制,得到稳定的电压输出,这种方式结构简单、噪声抑制度很高(达到 60dB 也就是 1000 倍以上),但一般效率比较低,要满足输入电压高于输出电压一定的压差才能够稳压,只能做降压变换。常规的线性稳压器的压差高达 2.5V,因此效率比较低。线性稳压电路简单、纹波小,对输入端的毛刺抑制度(PSRR)高,但能量的损耗都以发热的方式通过器件扩散。 LDO(低压差线性稳压器)可以做到较低的压差,比如在负载高达 1A 的情况下压差可以降低到 350mA,其效率取决于具体使用的输入和输出电压的情况。

开关稳压 由工作在开关模式的三极管和储能的电感以及平滑纹波的电容构成,以 PWM 或 PFM 的方式得到稳定的输出电压。开关方式的好处是能够降压、升压、反压,输入电压的范围可以很宽,效率可以做到很高(有的能达到 95% 以上),缺点是外围电路比较复杂,外围元器件的选型比较敏感,另外高频的开关信号会在电压输出上带来较大的干扰、纹波。

线性稳压#

原理:

【待补充】

效率:η = Vout / Vin

稳压情况

  • Vout < Vin

优点

  • 电路简单、便宜
  • 输出端噪声低
  • 对噪声的隔离度高
  • 快速的瞬态响应

缺点

  • 需要一定的压差才能起到稳压的作用,因此只能降压使用
  • 在压差比较大的情况下,转换效率比较低,损耗都以 “热” 的方式消耗掉,并影响板卡的稳定性、可靠性
  • 功率至上,即便负载电路并不需要很大电流。这样做的后果就是所有元件即便非必要的时候也工作在满负荷下,结果产生高很多的热量。

压降:

应用

  • 对供电电源的噪声要求严格的模拟电路、时钟产生电路等
  • 小电流、电源转换效率影响不大的数字电路供电场景

开关稳压 - 电容变换(电荷泵)#

稳压情况

  • Vout > Vin(两倍、三倍……)
  • Vout < Vin(极少见)
  • 负压输出(反极性)

优点

  • 比 LDO 更高的转换效率
  • 设计简单,只需要电容变化

缺点

  • 有限的输入输出范围
  • 标准的电荷泵是不带调压的,具有调压特性的电荷泵,通常会有较高的损耗
  • 非常有限的电流输出能力

开关稳压 - 电感变换#

稳压情况

  • Vout > Vin(Boost)
  • Vout < Vin(Buck)
  • Vin_min < Vout < Vin_max(Buck-Boost)(升降压)
  • 负压输出(反极性)

优点

  • 能达到最高的效率
  • 很多种不同的拓扑结构,可满足更多设计的需求
  • 可实现隔离变换

缺点

  • 比较复杂的解决方案
  • 引入磁场
  • 不可避免的开关噪声

元器件选型#

  • 功能:是否满足输入/输出电压及电流要求
  • 性能:尽可能低的纹波、噪声,尽可能高的转换效率
  • 价格:整体系统成本
  • 供货渠道:是否容易购买

可以使用电源芯片厂提供的工具辅助选型,例如 TI 参考设计

PCB layout#

对于 LDO 而言,发热是影响性能和稳定性的重要因素,故 layout 时需要考虑散热。
对于 DC-DC 而言,需要考虑大电流的路径,避免产生较大纹波,避免反馈引脚受干扰,一般数据手册会提供布局参考,例如:

参考与致谢#

文章作者:Power Lin
原文地址:https://wiki-power.com
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