# 电源的设计

# 需求分析

  • 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

线性稳压与开关稳压的对比:

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

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

  • 线性稳压
    • 78xx:固定输出, 最经典的三端稳压器,xx 表示了稳压输出的电压值(LM7805 输出 5V 稳压),最大输出电流为 1A(LM7805 的输出电流为最大 1A,LM78M05 的输出电流最大为 500mA,而 LM78L05 的输出电流最大为 100mA),要求输入电压和输出电压之间的压差为 2.5V 以上,其转换效率为 Vout/Vin(输入 12V 的电压,得到 5v 的稳压输出,其效率为 5/12 = 41.6%,如果负载电流达到 1A 的情况下,7805 器件上的热损耗高达(12-5)*1 = 7W,这就是为什么很多 78xx 系列的器件上必须加上散热片的缘故)
    • 79xx:固定输出,78xx 得到的是对地正电压,79xx 得到的是对地负电压,经常配对使用。其他参数 78xx 相同
    • LM317/LM117:可调输出,输出电压可以调节,最大输出电路可以高达 1.5A,也要求 2.5v 以上的压差才能正常稳压工作,具备与 78xx 一样的优点和缺点
    • 1117 系列:LDO,要求的输入电压和输出电压的差值为 1.2V. 输出电流只有最高 800mA
    • LP5907:LDO,压差则可以做到典型值 120mV,甚至负载电流更小的时候能够在 50mV 的压差下得到稳压输出。效率可以高达 90%. 最大输出电流为 250mA
    • TPS51200:LDO,输出电流高达 3A
  • 开关稳压
    • MC34063A:效率比较低(现在看来开关频率只有 100KHz),对外围器件的要求高(由于开关频率较低,要得到较大的电流输出,所需要的电感的个头就要比较大)
    • LM2576:外围电路简单,像线性稳压器,可以在较宽的输入电压范围内获得较高的效率,可以用在不需要在意电源纹波(比如数字器件的供电)的场合替代掉 78xx、317 以及 1117 等
    • LMZ21701:工作频率高达 2.5MHz,电路可以做得非常小,在能够供电 1A 的情况下可以输出常用的 1.2V、1.8V、2.5V、3.3V 以及 5V,并且有可调输出的版本
    • LTM4644:集成度高,能够提供 4 路输出且拥有较小的体积,可以说是现在高速的处理器、FPGA 最佳的供电选择。其相当高的集成度以及内部的时序控制、保护电路等都是你用很多器件堆不出来的

以上为经典的稳压芯片。在设计电源电路时,我们还可以按电源设计参数来挑选芯片。可以用 TI 参考设计 (opens new window) 这个工具来辅助芯片选型。

# PCB 设计

尽量根据元件数据手册提供的参考布局。示例:

# 参考与致谢



文章作者:Power Lin
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Last Updated: 2020/11/26 下午3:19:01