低壓差線性穩(wěn)壓器在開關(guān)電源中的應(yīng)用

1、低壓差線性穩(wěn)壓器在開關(guān)電源中的應(yīng)用電源是各種設(shè)備必不行缺少的組成部分，其性能的優(yōu)劣挺直關(guān)系到電子設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)及能否平安可*地工作。目前常用的直流分線性電源和兩大類，因?yàn)殚_關(guān)電源內(nèi)部關(guān)鍵元器件工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，本身消耗的能量很低，開關(guān)電源效率可達(dá)80%"90%，比一般線性穩(wěn)壓電源提高近一倍，目前已成為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品。開關(guān)穩(wěn)壓電源的結(jié)構(gòu)圖1畫出了開關(guān)穩(wěn)壓電源的原理圖及等效原理框圖，它是由全波整流器，開關(guān)管vi，激勵(lì)信號(hào)，續(xù)流vd，儲(chǔ)能和濾波c組成。事實(shí)上，開關(guān)穩(wěn)壓電源的核心部分是一個(gè)直流。這里我們對(duì)直流變換器和作如下說(shuō)明。逆變器，它是把直流改變?yōu)闇贤ǖ难b置。逆變器通常被廣泛地應(yīng)用

2、在采納電平或電池組成的備用電源中。直流變換器，它是把直流轉(zhuǎn)換成溝通，然后又把溝通轉(zhuǎn)換成直流的裝置。這種裝置被廣泛地應(yīng)用在開關(guān)穩(wěn)壓電源中。采納直流變換器可以把一種直流供電變換成極性、數(shù)值各不同的多種直流供電電壓。開關(guān)穩(wěn)壓電源的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)開關(guān)穩(wěn)壓電源優(yōu)點(diǎn)功耗小，效率高。在圖1中的開關(guān)穩(wěn)壓電源中，晶體管v在激勵(lì)信號(hào)的激勵(lì)下，它交替地工作在導(dǎo)通截止和截止導(dǎo)通的開關(guān)狀態(tài)，轉(zhuǎn)換速度很快，頻率普通為50khz左右，在一些技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家，可以做到幾百或者近1000khz。這使得開關(guān)晶體管v的功耗很小，電源的效率可以大幅度地提高，其效率可達(dá)到80%。體積小，分量輕。從開關(guān)穩(wěn)壓電源的原理框圖可以清晰地看到這里沒(méi)有

3、采納粗笨的工頻變壓器。因?yàn)檎{(diào)節(jié)管v上的耗散功率大幅度降低后，又省去了較大的散熱片。因?yàn)檫@兩方面緣由，所以開關(guān)穩(wěn)壓電源的體積小，分量輕。穩(wěn)壓范圍寬。從開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出電壓是由激勵(lì)信號(hào)的占空比來(lái)調(diào)整的，輸入信號(hào)電壓的變幻可以通過(guò)調(diào)頻或調(diào)寬來(lái)舉行補(bǔ)償。這樣，在工頻電網(wǎng)電壓變幻較大時(shí)，它仍能夠保證有較穩(wěn)定的輸出電壓。所以開關(guān)電源的穩(wěn)壓范圍很寬，穩(wěn)壓效果很好。此外，轉(zhuǎn)變占空比的辦法有脈寬調(diào)制型和頻率調(diào)制型兩種。開關(guān)穩(wěn)壓電源不僅具有穩(wěn)壓范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，而且實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的辦法也較多，設(shè)計(jì)人員可以按照實(shí)際應(yīng)用的要求，靈便地選用各種類型的開關(guān)穩(wěn)壓電源。濾波的效率大為提高，使濾波電容的容量和體積大為削減。開關(guān)穩(wěn)壓電源

4、的工作頻率目前基本上是工作在50khz，是線性穩(wěn)壓電源的1000倍，這使整流后的濾波效率幾乎也提高了1000倍；即使采納半波整流后加電容濾波，效率也提高了500倍。在相同的紋波輸出電壓下，采納開關(guān)穩(wěn)壓電源時(shí)，濾波電容的容量只是線性穩(wěn)壓電源中濾波電容的1/5001/1000。電路形式靈便多樣，有自激式和他激式，有調(diào)寬型和調(diào)頻型，有單端式和雙端式等等，設(shè)計(jì)者可以發(fā)揮各種類型電路的長(zhǎng)處，設(shè)計(jì)出能滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的開關(guān)穩(wěn)壓電源。開關(guān)穩(wěn)壓電源缺點(diǎn)開關(guān)穩(wěn)壓電源的缺點(diǎn)是存在較為嚴(yán)峻的開關(guān)干擾。開關(guān)穩(wěn)壓電源中，功率調(diào)節(jié)開關(guān)晶體管v工作在開關(guān)狀態(tài)，它產(chǎn)生的溝通電壓和通過(guò)電路中的其他元器件產(chǎn)生尖峰干擾和睦振干擾，

5、這些干擾假如不實(shí)行一定的措施舉行抑制、消退和屏蔽，就會(huì)嚴(yán)峻地影響整機(jī)的正常工作。此外因?yàn)殚_關(guān)穩(wěn)壓電源沒(méi)有工頻變壓器的隔離，這些干擾就會(huì)串入工頻電網(wǎng)，使附近的其他電子儀器、設(shè)備和家用電器受到嚴(yán)峻干擾。目前，因?yàn)閲?guó)內(nèi)微電子技術(shù)、阻容器件生產(chǎn)技術(shù)以及磁性材料技術(shù)與一些技術(shù)先進(jìn)國(guó)家還有一定的差距，因而造價(jià)不能進(jìn)一步降低，也影響到可*性的進(jìn)一步提高。所以在我國(guó)的電子儀器以及機(jī)電一體化儀器中，開關(guān)穩(wěn)壓電源還不能得到非常廣泛的普及及用法。特殊是對(duì)于無(wú)工頻變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源中的高壓電解、高反壓大功率開關(guān)管、開關(guān)變壓器的磁芯材料等器件，在我國(guó)還處于討論、開發(fā)階段。在一些技術(shù)先進(jìn)國(guó)家，開關(guān)穩(wěn)壓電源雖然有了一定的進(jìn)

6、展，但在實(shí)際應(yīng)用中也還存在一些問(wèn)題，不能非常令人愜意。這裸露出開關(guān)穩(wěn)壓電源的又一個(gè)缺點(diǎn)，那就是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障率高，修理棘手。對(duì)此，假如設(shè)計(jì)者和創(chuàng)造者不予以充分重視，則它將挺直影響到開關(guān)穩(wěn)壓電源的推廣應(yīng)用。當(dāng)今，開關(guān)穩(wěn)壓電源推廣應(yīng)用比較困難的主要緣由就是它的制作技術(shù)難度大、修理棘手和造價(jià)成本較高。簡(jiǎn)介ldo是一種微功耗的低壓差線性穩(wěn)壓器，它通常具有極低的自有噪聲和較高的電源抑制比(psrr，power supply rejection ratio )。ldo低壓差線性穩(wěn)壓器的結(jié)構(gòu)2主要包括啟動(dòng)電路、恒流源偏置單元、使能電路、調(diào)節(jié)元件、基準(zhǔn)源、誤差、反饋網(wǎng)絡(luò)和庇護(hù)電路等?；竟ぷ髟硎牵合到y(tǒng)加

7、電，假如使能腳處于高電平常，電路開頭啟動(dòng)，恒流源電路給囫圇電路提供偏置，基準(zhǔn)源電壓迅速建立，輸出隨著輸入不斷升高，當(dāng)輸出即將達(dá)到規(guī)定值時(shí)，由反饋網(wǎng)絡(luò)得到的輸出反饋電壓也臨近于基準(zhǔn)電壓值；此時(shí)誤差放大器將輸出反饋電壓和基準(zhǔn)電壓之間的誤差小信號(hào)舉行放大，再經(jīng)調(diào)節(jié)管放大到輸出，從而形成負(fù)反饋，保證了輸出電壓穩(wěn)定在規(guī)定值上，同理假如輸入電壓變幻或輸出電流變幻，這個(gè)閉環(huán)回路將使輸出電壓保持不變，即vout=(r1+r2)/r2 × vref。實(shí)際的低壓差線性穩(wěn)壓器還具有如負(fù)載短路庇護(hù)、過(guò)壓關(guān)斷、過(guò)熱關(guān)斷、反接庇護(hù)等其它的功能。ldo應(yīng)用于開關(guān)電源目前大多ic設(shè)計(jì)產(chǎn)商生產(chǎn)的低壓差線性穩(wěn)壓器(ld

8、o)典型封裝都是sot23-5和sot23-3，如圣邦微電子的sgm2007，sgm2013。圖3為sgm2007的典型應(yīng)用。目前市場(chǎng)上出售的開關(guān)電源中采納雙極性晶體管制成的開關(guān)頻率100khz，用mos-fet制成的開關(guān)頻率500khz電源。開關(guān)電源的突出缺點(diǎn)是產(chǎn)生較強(qiáng)的emi。emi信號(hào)既具有很寬的頻率范圍，又有一定的幅度，經(jīng)傳導(dǎo)和輻射會(huì)污染電磁環(huán)境，對(duì)通信設(shè)備和電子產(chǎn)品造成干擾。假如處理不當(dāng)，開關(guān)電源本身就會(huì)變成一個(gè)干擾源。當(dāng)用開關(guān)電源做為ldo的輸入vin時(shí)要注重ldo電源抑制比和功耗。電源抑制比 (psrr，power supply ripple rejection ratio)是反

9、應(yīng)ldo輸出對(duì)輸入紋波抑制能力的一個(gè)溝通參數(shù)，普通輸出和輸入的頻率是一樣的，psrr的值越大解釋ldo的紋波能力越強(qiáng)，也就是說(shuō)輸入對(duì)輸出的影響很小。盡管ldo的電源抑制比很強(qiáng)，但都是在一定頻率內(nèi)的抑制很強(qiáng)，普通的在50khz到200khz的電源抑制比還是很差的4為sgm2007的psrr和頻率曲線，而這段頻率正是大多數(shù)開關(guān)電源的工作頻率，假如ldo的負(fù)載和輸入輸出電容匹配不好，很簡(jiǎn)單引起ldo振蕩。而造成囫圇ldo供電系統(tǒng)的不穩(wěn)定。目前市場(chǎng)上出售的開關(guān)電源大多數(shù)都是固定電壓輸出的，普通常用都是5v輸出的，而普通的ldo應(yīng)用最多的是3.3v輸出的，在開關(guān)電源的輸出做為ldo的輸入時(shí)，就存在一個(gè)很

10、大的壓差，為1.7v。假如ldo電流很大的話如200ma，那么芯片的溫度就會(huì)很高，功耗很大，長(zhǎng)時(shí)光工作在高溫的狀況下，會(huì)影響芯片的工作壽命。低壓差線性穩(wěn)壓器功耗主要是輸入電壓，輸出電壓以及輸出電流的函數(shù)。下列方程式可用來(lái)計(jì)算最惡劣狀況下的功耗：pd=(vinmax-voutmin)ilmax。其中:pd = 最惡劣狀況下的實(shí)際功耗，vinmax = vin 腳上的最大電壓，voutmin=穩(wěn)壓器輸出的最小電壓，ilmax=最大(負(fù)載) 輸出電流。最大允許功耗(pdmax) 是最大環(huán)境溫度(tamax), 最大允許結(jié)溫(tjmax) (+125) 和結(jié)點(diǎn)到空氣間熱阻(qja) 的函數(shù)。對(duì)于安裝在典型雙層fr4 電解銅鍍層板上的5引腳sot-23封裝器件，其(qja)約為250/watt。pdmax=(tamax- tjmax)/ qjavinmax=3.0v+10%，voutmin=2.7v-2