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浅谈如何选择合适的电源芯片

作者:fanxiaoxi 时间:2024-06-11 收藏

什么是电源芯片? 它有什么作用? 在选择电源芯片的时候,应该考虑哪些地方? 输入电压线性调整率、输入电压线性变化时对输出电压的相对影响? 下面先来了解几个概念问题:

1、输出电压负载调整率:负载电流变化时输出电压相对变化情况

2、输出电压精度:器件输出电压的误差范围

3、负载瞬态响应:负载电流从一个小值到最大值快速变化时,输出电压的波动。

电源芯片选择DC/DC还是LDO?

这个取决于你的应用场合。 比如用在升压场合,当然只能用DC/DC,因为LDO是压降型,不能升压。

另外看下各自的主要特点: DC/DC效率高,噪声大; LDO噪声低,静态电流小。 所以如果是用在压降比较大的情况下,选择DC/DC,因为其效率高,而LDO会因为压降大而自身损耗很大部分效率; 如果压降比较小,选择LDO,因为其噪声低,电源干净,而且外围电路简单,成本低。

LDO是lowdropoutregulator,意为低压差线性稳压器,是相对于传统的线性稳压器来说的。 传统的线性稳压器,如78xx系列的芯片都要求输入电压要比输出电压高出2V~3V以上,否则就不能正常工作。 但是在一些情况下,这样的条件显然是太苛刻了,如5V转3.3V,输入与输出的压差只有1.7V,显然是不满足条件的。 针对这种情况,才有了LDO类的电源转换芯片。

LDO线性降压芯片:原理相当于一个电阻分压来实现降压,能量损耗大,降下的电压转化成了热量,降压的压差和负载电流越大,芯片发热越明显。 这类芯片的封装比较大,便于散热。 LDO线性降压芯片如:LM2596,L78xx系列等。

DC/DC降压芯片:在降压过程中能量损耗比较小,芯片发热不明显。 芯片封装比较小,能实现PWM数字控制。 DC/DC降压芯片如:TPS5430/31,TPS75003,MAX1599/61,TPS61040/41等。

LDO是lowdropoutregulator,意为低压差线性稳压器,是相对于传统的线性稳压器来说的。 传统的线性稳压器,如78xx系列的芯片都要求输入电压要比输出电压高出2V~3V以上,否则就不能正常工作。 但是在一些情况下,这样的条件显然是太苛刻了,如5V转3.3V,输入与输出的压差只有1.7V,显然是不满足条件的。 针对这种情况,才有了LDO类的电源转换芯片。 生产LDO芯片的公司很多,常见的有ALPHA,Linear(LT),Micrel,Nationalsemiconductor,TI等。

DC-DC电路设计技巧及器件选型原则

01.概念及特点

DC-DC指直流转直流电源(Direct Current)。 是一种在直流电路中将一个电压值的电能变为另一个电压值得电能的装置。 如,通过一个转换器能将一个直流电压(5.0V)转换成其他的直流电压(1.5V或12.0V),我们称这个转换器为DC-DC转换器,或称之为开关电源或开关调整器。

DC-DC转换器一般由控制芯片,电感线圈,二极管,三极管,电容器构成。 在讨论DC-DC转换器的性能时,如果单针对控制芯片,是不能判断其优劣的。 其外围电路的元器件特性,和基板的布线方式等,能改变电源电路的性能,因此,应进行综合判断。

DC-DC转换器的使用有利于简化电源电路设计,缩短研制周期,实现最佳指标等,被广泛用于电力电子、军工、科研、工控设备、通讯设备、仪器仪表、交换设备、接入设备、移动通讯、路由器等通信领域和工业控制汽车电子、航空航天等领域。 具有可靠性高、系统升级容易等特点,电源模块的应用越来越广泛。 此外,DC-DC转换器还广泛应用于手机、MP3、数码相机、便携式媒体播放器等产品中。 在电路类型分类上属于斩波电路。

DC-DC的主要特点是效率高:与线性稳压器的LDO相比较,效率高是DCDC的显著优势。 通常效率在70%以上,重载下高的可达到95%以上。 其次是适应电压范围宽。

A: 调制方式

1: PFM(脉冲频率调制方式)。 开关脉冲宽度一定 ,通过改变脉冲输出的频率,使输出电压达到稳定。 PFM控制型即使长时间使用,尤其小负载时具有耗电小的优点。

2: PWM(脉冲宽度调制方式)。 开关脉冲的频率一定 ,通过改变脉冲输出宽度,使输出电压达到稳定。 PWM控制型效率高并具有良好的输出电压纹波和噪声。

B: 通常情况下,采用PFM和PWM这两种不同调制方式的DC-DC转换器的性能不同点如下:PWM的频率,PFM的占空比的选择方法。 PWM/PFM转换型小负载时实行PFM控制,且在重负载时自动转换到PWM控制。

02.架构分类

1)常见的三种原理架构:

A、 Buck(降压型DC/DC转换器)

图1

B、Boost(升压型DC/DC转换器)

图2

C、Buck-Boost(升降压型DC/DC转换器)

图3

2)Buck电路工作原理详解

图4

伏秒平衡原则:处于稳定状态的电感,电感两端的正伏秒积等于负伏秒积,即:电感两端的伏秒积在一个开关周期内必须平衡。

图5

当开关导通时:输入电压Vin加到LC滤波器的输入端,电感上的电流以固定斜率线性上升。 如下图:

图6

当开关关断时:由于电感上的电流不能突变,电感中存储的能量向负载释放,电感电流通过二极管续流 ,在这个阶段,电流波形是一条斜率为负的斜线。 如下图:

图7

03.设计技巧及主要技术参数选用要求

DC-DC电路设计至少要考虑以下条件:A.外部输入电源电压的范围,输出电流的大小。 B. DC-DC输出的电压,电流,系统的功率最大值。

1.输入/输出电压(Input &Output Voltage):Vin/Vout。 要按照器件的推荐工作电压范围选用,并且要考虑实际电压的波动范围,确保不能超出器件规格

2.输出电流(Output Current):Iout。 器件持续的输出电流能力是一个重要的参数,选用时要参考此参数,并要保留一定的余量。 此参数的选取还要评估电路的瞬间峰值电流和发热的情况,综合来确定,并满足降额要求。

3.纹波(Output ripple):Vpk-pk。 纹波是衡量电路的输出电压波动的重要参数。 要关注轻载和重载纹波,一般轻载纹波要大。 注意核电等场合下轻载纹波是否会超出要求。 实际测试下各种场景负载下的情况。 通常选用示波器20M带宽来测试。

4.效率(Efficiency):要同时关注轻载和重载两种情况。 轻载会影响待机功率,重载影响温升。 通常看12V输入,5V输出下10mA的效率,一般要80%以上。

5.瞬态响应 (Transient response):瞬态响应特性反应负载剧烈变化时系统是否能及时调整以保证输出电压的稳定。 要求输出电压波动越小越好,一般按峰峰值10%以下要求。 实际要注意按推荐值选用反馈电容。 常见取值在22p到120pF。

图9

6.开关频率(Switching Frequency) :fsw。 常用的开关频率多数在500kHz以上。 较高的开关频率1.2M到2M的也有,由于频率高开关损耗增加IC散热设计要好,故主要集中在5V低压输入小电流的产品。 开关频率关系到电感电容的选用,其它如EMC,轻载下噪音等问题也与之有关。

7.反馈参考电压及精度(Feedback Voltage &output accuracy) :Vref。 反馈电压要与内部的参考电压相比较,配合外部的反馈分压电阻,输出不同电压。 不同产品的参考电压会有不同,如0.6~0.8V,替换时注意调整反馈电阻。 反馈电阻要选用1%精度,只要根据厂家推荐来选,一般不要选的过大,以免影响稳定性。 参考电压精度影响输出准确度,常见精度在2%以下,如1%~1.5%,精度高的产品成本会有差别。 根据需要选择。

8.线性稳定度和负载稳定度(line/load regulation):线性稳定度反应输入电压变化输出电压稳定性。 负载稳定度反应输出负载变化输出电压稳定性。 一般要求1%,最大不要超3%。

EN电平:EN高低电平要满足器件规格要求,有些IC不能超出特定电压范围; 电阻分压时注意满足及时关断,并且考虑电压波动最大范围内要满足。 由于时序控制的需要,该引脚会增加电容,为了电平调节和关断放电,同时要有对地电阻。

10.保护性能:要有过流保护OCP,过热保护OTP等,并且保护后条件消失能自恢复。

11.其它:要求有软启动; 热阻和封装; 使用温度范围要能覆盖高低温等。

04.器件选型一般原则

普遍性

高性价比

易采购生命周期长

兼容和可替代

资源节约

降额

易生产和归一化

05.外围器件选择的要求

1.输入电容:要满足耐压和输入纹波的要求。 一般耐压要求1.5~2倍以上输 入电压。 注意瓷片电容的实际容量会随直流电压的偏置影响而减少。

2.输出电容:要满足耐压和输出纹波的要求。 一般耐压要求1.5~2倍 。

纹波和电容的关系:

3.BST电容:按照规格书推荐值。 一般0.1uF-1uF。 耐压一般要高于输入电压。

4.电感:不同输出电压的要求感量不同; 注意温升和饱和电流要满足余量要求,一般最大电流的1.2倍以上(或者电感的饱和电流必须大于最大输出电流+0.5*电感纹波电流)。 通常选择合适的电感值L,使ΔIL占输出电流的30%~50%。 计算公式:

VCC电容:按规格书 要求取值,不能减小,也不要太大,注意耐压。

6.反馈电容:按规格书 要求取值,不同厂家芯片取值不同,输出电压不同也会有不同的要求。

7.反馈电阻和EN分压电阻:要求按规格书取值,精度1%。

06.PCB设计要求

1.输入电容就近放在芯片的输入Vin和功率的PGND,减少寄生电感的存在,因为输入电流不连续,寄生电感引起的噪声对芯片的耐压以及逻辑单元造成不良影响 。 电容地端增加过孔,减少阻抗。

2.功率回路尽可能的短粗,保持较小的环路面积,较少噪声辐射。 SW是噪声源,保证电流的同时保持尽量小的面积,远离敏感的易受干扰的位置。 如,电感靠近SW引脚,远离反馈线。 输出电容靠近电感,地端增加地过孔。

VCC电容应就近放置在芯片的VCC管脚和芯片的信号地之间,尽量在一层,不要有过孔。

4.FB是芯片最敏感,最容易受干扰的部分,是引起系统不稳定的最常见原因: 1)FB电阻连接到FB管脚竟可能短,靠近IC放置,减少噪声的耦合; FB下分压电阻通常接信号地AGND; 2)远离噪声源,SW点,电感,二极管(非同步buck); FB走线包地; 3)大电流负载的FB在负载远端取,反馈电容走线要就近取。

5.BST的电容走线尽量短,不要太细。

6.芯片散热要按设计要求,尽量在底下增加过孔散热。

什么是LDO(低压降)稳压器?

LDO是一种线性稳压器。 线性稳压器使用在其线性区域内运行的晶体管或FET,从应用的输入电压中减去超额的电压,产生经过调节的输出电压。 所谓压降电压,是指稳压器将输出电压维持在其额定值上下100mV之内所需的输入电压与输出电压差额的最小值。

正输出电压的LDO(低压降)稳压器通常使用功率晶体管(也称为传递设备)作为PNP。 这种晶体管允许饱和,所以稳压器可以有一个非常低的压降电压,通常为200mV左右; 与之相比,使用NPN复合电源晶体管的传统线性稳压器的压降为2V左右。 负输出LDO使用NPN作为它的传递设备,其运行模式与正输出LDO的PNP设备类似。

更新的发展使用CMOS功率晶体管,它能够提供最低的压降电压。 使用CMOS,通过稳压器的唯一电压压降是电源设备负载电流的ON电阻造成的。 如果负载较小,这种方式产生的压降只有几十毫伏。

DC/DC的意思是直流变(到)直流(不同直流电源值的转换),只要符合这个定义都可以叫DC/DC转换器,包括LDO,但是一般的说法是把直流变(到)直流由开关方式实现的器件叫DC/DC。

LDO是低压降的意思,这有一段说明: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。 新的LDO线性稳压器可达到以下指标:输出噪声30μV,PSRR为60dB,静态电流6μA,电压降只有100mV。

LDO线性稳压器的性能之所以能够达到这个水平,主要原因在于其中的调整管是用P沟道MOSFET,而普通的线性稳压器是使用PNP晶体管。 P沟道MOSFET是电压驱动的,不需要电流,所以大大降低了器件本身消耗的电流; 另一方面,采用PNP晶体管的电路中,为了防止PNP晶体管进入饱和状态而降低输出能力,输入和输出之间的电压降不可以太低; 而P沟道MOSFET上的电压降大致等于输出电流与导通电阻的乘积。 由于MOSFET的导通电阻很小,因而它上面的电压降非常低。

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。 所以,在把锂离子电池电压转换为3V输出电压的应用中大多选用LDO稳压器。 虽说电池的能量最后有百分之十是没有使用,LDO稳压器仍然能够保证电池的工作时间较长,同时噪音较低。

如果输入电压和输出电压不是很接近,就要考虑用开关型的DC/DC了,因为从上面的原理可以知道,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。

DC-DC转换器包括升压、降压、升/降压和反相等电路。 DC/DC转换器的优点是效率高、可以输出大电流、静态电流小。 随着集成度的提高,许多新型DC/DC转换器仅需要几只外接电感器和滤波电容器。 但是,这类电源控制器的输出脉动和开关噪音较大、成本相对较高。

近几年来,随着半导体技术的发展,表面贴装的电感器、电容器、以及高集成度的电源控制芯片的成本不断降低,体积越来越小。 由于出现了导通电阻很小的MOSFET可以输出很大功率,因而不需要外部的大功率FET。 例如对于3V的输入电压,利用芯片上的NFET可以得到5V/2A的输出。 其次,对于中小功率的应用,可以使用成本低小型封装。 另外,如果开关频率提高到1MHz,还能够降低成本、可以使用尺寸较小的电感器和电容器。 有些新器件还增加许多新功能,如软启动、限流、PFM或者PWM方式选择等。

总的来说,**升压是一定要选DC/DC的; 降压,是选择DC/DC还是LDO,要在成本,效率,噪声和性能上比较。 **LDO体积小,干扰较小,当输入与输出电压差较大时,转换效率低。 DC/DC好处就是转换效率高,可以大电流,但输出干扰较大,体积也相对较大。

LDO一般是指线性的稳压器--Low Drop Out,而DC/DC则是线性式和开关式稳压器的总称。 如果你的输出电流不是很大(如3A以内),而且输入输出压差也不大(如3.3V转2.5V等)就可以使用LDO的稳压器(优点是输出电压的ripple很小)。 否则最好用开关式的稳压器,如果是升压,也只能用开关式稳压器(如果ripple控制不好,容易影响系统工作)。

LDO的选择

当所设计的电路对分路电源有以下要求:

1、高的噪音和纹波抑制;

2、占用PCB板面积小,如手机等手持电子产品;

3、电路电源不允许使用电感器,如手机;

4、电源需要具有瞬时校准和输出状态自检功能;

5、要求稳压器低压降,自身功耗低;

6、要求线路成本低和方案简单。

此时,选用LDO是最恰当的选择,同时满足产品设计的各种要求。



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