线性稳压器和开关模式电源的基本概念

线性稳压器和开关模式电源的基本概念关键字：线性稳压器开关模式电源SMPS摘要本文阐述了线性稳压器和开关模式电源(SMPS)的基本概念。目的是针对那些对电源设计和选择可能不很熟悉的系统工程师。文章说明了线性稳压器和SMPS的基本工作原理，并讨论了每种解决方案的优势和劣势。以降压型转换器为例进一步解释了开关稳压器的设计考虑因素。引言如今的设计要求在电子系统中有越来越多的电源轨和电源解决方案，且负载范围从几mA(用于待机电源)到100A以上(用于ASIC电压调节器)。重要的是必需选择针对目标应用的合适解决方案并满足规定的性能要求，例如：高效率、紧凑的印刷电路板(PCB)空间、准确的输出调节、快速瞬态响应、低解决方案成本等。对于系统设计师来说，电源管理设计正成为一项日益频繁和棘手的工作，而他们当中许多人可能并没有很强的电源技术背景。电源转换器利用一个给定的输入电源来产生用于负载的输出电压和电流。其必需在稳态和瞬态情况下满足负载电压或电流调节要求。另外，它还必须在组件发生故障时对负载和系统提供保护。视具体应用的不同，设计师可以选择线性稳压器(LR)或开关模式电源(SMPS)解决方案。为了选择最合适的解决方案，设计师应熟知每种方法的优点、不足和设计关注点，这是十分重要。本文将着重讨论非隔离式电源应用，并针对其工作原理和设计的基本知识作相关介绍。线性稳压器线性稳压器的工作原理我们从一个简单的例子开始。在嵌入式系统中，可从前端电源提供一个12V总线电压轨。在系统板上，需要一个3.3V电压为一个运算放大器(运放)供电。产生3.3V电压最简单的方法是使用一个从12V总线引出的电阻分压器，如图1所示。这种做法效果好吗？回答常常是“否”。在不同的工作条件下，运放的VCC引脚电流可能会发生变化。假如采用一个固定的电阻分压器，则ICVCC电压将随负载而改变。此外，12V总线输入还有可能未得到良好的调节。在同一个系统中，也许有很多其他的负载共享12V电压轨。由于总线阻抗的原因，12V总线电压会随着总线负载情况的变化而改变。因此，电阻分压器不能为运放提供一个用于确保其正确操作的3.3V稳定电压。于是，需要一个专用的电压调节环路。如图2所示，反馈环路必需调整顶端电阻器R1的阻值以动态地调节VCC上的3.3V。图1：电阻分压器采用12V总线输入产生3.3VDC。图2：反馈环路调整串联电阻器R1的阻值以调节3.3V。此类可变电阻器可利用一个线性稳压器来实现，如图3所示。线性稳压器使一个双极性或场效应功率晶体管(FET)在其线性模式中运作。这样，晶体管起的作用就是一个与输出负载相串联的可变电阻器。从概念上说，如需构建反馈环路，可由一个误差放大器利用一个采样电阻器网络(RA和RB)来检测DC输出电压，然后将反馈电压VFB与一个基准电压VREF进行比较。误差放大器输出电压通过一个电流放大器驱动串联功率晶体管的基极。当输入VBUS电压下降或负载电流增大时，VCC输出电压下降。反馈电压VFB也将下降。因此，反馈误差放大器和电流放大器产生更多的电流并输入晶体管Q1的基极。这将减小电压降VCE，因而使VCC输出电压恢复，这样一来VFB=VREF。另一方面，如果VCC输出电压上升，则负反馈电路采取相似的方式增加VCE以确保3.3V输出的准确调节。总之，VO的任何变化都被线性稳压器晶体管的VCE电压所消减。所以，输出电压VCC始终恒定并处于良好调节状态。图3：线性稳压器可实现一个可变电阻器以调节输出电压。为什么采用线性稳压器？长期以来，线性稳压器一直得到业界的广泛采用。在开关模式电源于上世纪60年代后成为主流之前，线性稳压器曾经是电源行业的基础。即使在今天，线性稳压器仍然在众多的应用中广为使用。除了简单易用之外，线性稳压器还拥有其他的性能优势。电源管理供应商开发了许多集成型线性稳压器。典型的集成线性稳压器只需要VIN、VOUT、FB和任选的GND引脚。图4示出了一款典型的3引脚线性稳压器LT1083，它是凌力尔特公司在20多年前开发的。该器件仅需一个输入电容器、输出电容器和两个反馈电阻器以设定输出电压。几乎所有的电气工程师都可以运用这些简单的线性稳压器来设计电源。图4：集成型线性稳压器实例：只有3个引脚的7.5A线性稳压器。一个缺点——线性稳压器会消耗大量的功率采用线性稳压器的一个主要缺点是其运行于线性模式之串联晶体管Q1会有过大功率耗散。如前文所述，线性稳压器从概念上讲是一个可变电阻器。由于所有的负载电流都必须经过串联电阻器，故其功率耗散为PLOSS=(VIN–VO)•IO。在该场合中，线性稳压器的效率可由下式快速估算：于是在图1所示的例子中，当输入为12V且输出为3.3V时，线性稳压器的效率仅为27.5%。在此场合中，72.5%的输入功率完全浪费掉了，并在稳压器中产生了热量。这意味着晶体管必须具备在最坏情况下(最大VIN和满负载)处理其功率/热耗散的热能力。因此，线性稳压器及其散热器的尺寸可能很大，特别是在VO远远低于VIN的时候。如图5所示，线性稳压器的最大效率与VO/VIN之比成比例。图5：线性稳压器的最大效率与VO/VIN之比的关系。另一方面，线性稳压器可以在VO接近VIN的情况下具有非常高的效率，然而，线性稳压器(LR)存在另一个局限性，即VIN和VO之间的最小电压差。LR中的晶体管必须在其线性模式中运作。于是，其在双极型晶体管的集电极至发射极两端或FET的漏极至源极两端需要一个确定的最小电压降。当VO过于接近VIN时，LR也许不再能够调节输出电压。那些能够在低裕量(VIN–VO)条件下工作的线性稳压器被称为低压差稳压器(LDO)。另外，还有一个明显之处就是线性稳压器或LDO只能提供降压DC/DC转换。在那些要求VO电压高于VIN电压，或者需要从一个正VIN电压产生负VO电压的应用中，线性稳压器显然是不起作用。具均流功能的线性稳压器可提供大功率[8]对于需要更大功率的应用，必须把稳压器单独地安装在一个散热器上以散逸热量。在全表面贴装型系统中，这并非可选方案，因此功率耗散的限制条件(比如1W)使输出电流受到限制。不幸的是，要想直接通过线性稳压器的并联来散播产生的热量并不容易。用一个高精度电流源取代图3中所示的电压基准，将允许直接把线性稳压器并联起来以分散电流负载，从而在IC之间传播消散的热量。这使得可以在高输出电流的全表面贴装型应用中使用线性稳压器，在此类应用中，电路板上的任何单一点中只能耗散有限的热量。LT3080是首款能够通过并联使用以提供较大电流的可调型线性稳压器。如图6所示，该器件具有一个连接至运算放大器同相输入端的高精度零温度系数(TC)10μA内部电流源。利用单个外部电压设定电阻器RSET，可以在0V至(VIN–VDROPOUT)的范围内调节线性稳压器的输出电压。图6：利用单个电阻器完成设定的LDOLT3080具有一个高精度电流源基准。如图7所示，通过并联LT3080以实现均流是十分容易的。只需把各个LT3080的SET引脚连接在一起；两个稳压器就能共享同一个基准电压。由于运算放大器经过精确的修整，因此调节引脚与输出之间的失调电压小于2mV。在该场合中，仅需要10mΩ的镇流电阻(其可以是一个小的外部电阻器与PCB走线电阻之和)即可平衡负载电流并实现优于80%的均衡共享。需要更大的功率吗？即使并联5~10个器件也是合理的。图7：通过两个LT3080线性稳压器的并联来提供更高的输出电流。线性稳压器更为可取的的应用在很多应用中，线性稳压器和LDO可提供优于开关电源的解决方案，包括：1.简单/低成本的解决方案。线性稳压器和LDO简单易用，特别适合于那些具有低输出电流、热应力不很关键的低功率应用。无需外部功率电感器。2.低噪声/低纹波应用。对于那些对噪声敏感的应用(例如：通信和无线电设备)而言，最大限度地抑制电源噪声是非常关键的。线性稳压器具有非常低的输出电压纹波(因为没有频繁接通和关断的组件)，而且线性稳压器还可以拥有非常高的带宽。所以，几乎不存在EMI问题。有些特殊的LDO(比如：凌力尔特的LT1761LDO系列)在输出端的噪声电压低至20μVRMS。这么低的噪声水平SMPS几乎是不可能实现的。即使采用ESR非常低的电容器，SMPS的输出纹波往往也将达到mV级。3.快速瞬态应用。线性稳压器反馈环路一般都是内置的，因此无需外部补偿。相比于SMPS，线性稳压器通常具有较宽的控制环路带宽和较快的瞬态响应。4.低压差应用。对于那些输出电压接近输入电压的应用来说，LDO可能比SMPS更有效。有非常低压差LDO(VLDO)，例如：凌力尔特的LTC1844、LT3020和LTC3025，这些器件可提供20mV至90mV的压差电压和高达150mA的电流。最小输入电压可低至0.9V。由于LR中没有AC开关损耗，因此LR或LDO的轻负载效率与其满负载效率很相近。SMPS常常因其AC开关损耗的缘故而具有较低的轻负载效率。在轻负载效率同样十分关键的电池供电型应用中，LDO可提供一种优于SMPS的解决方案。总之，设计师之所以使用线性稳压器或LDO，原因就在于其具有简单、低噪声、低成本、易于使用以及可提供快速瞬态响应等特性。如果VO接近于VIN，LDO也许比SMPS效率更高。为什么使用开关模式电源？一个脱口而出的回答是：效率高。在SMPS中，晶体管运作于开关模式而不是线性模式。这意味着，当晶体管导通并传导电流时，其电源通路两端的电压降是最小的。当晶体管关断并隔离高电压时，其电源通路中几乎没有电流通过。所以半导体晶体管很像一个理想的开关。晶体管中的功率损失于是得到了最大限度的减少。高效率、低功率耗散和高功率密度(小尺寸)是设计师用SMPS替代线性稳压器或LDO(特别是在大电流应用中)的主要原因。例如：现今的12VIN、3.3VOUT开关模式同步降压型电源通常能够实现＞90%的效率，而线性稳压器则不到27.5%。这意味着至少可以使功耗和尺寸减少8倍。最普及的开关电源——降压型转换器图8示出了最简单和最普及的开关稳压器——降压型DC/DC转换器。其具有两种操作模式，取决于晶体管Q1是接通还是关断。为了简化讨论，假设所有的功率器件都是理想的。当开关(晶体管)Q1接通时，开关节点电压VSW=VIN，而且电感器L电流由(VIN–VO)充电。图8(a)示出了该电感器充电模式中的等效电路。当开关Q1关断时，电感器电流通过续流二极管D1，如图8(b)所示。开关节点电压VSW=0V，电感器L电流由VO负载放电。由于理想二极管不能在稳态中拥有DC电压，因此平均输出电压VO可由下式给出：式中的TON为开关周期TS之内的导通时间间隔。如果把TON/TS之比定义为占空比D，则输出电压VO为：当滤波电感器L和输出电容器CO的数值足够高时，输出电压VO是一个仅具有mV级纹波的DC电压。在这种场合中，对于一个12V输入降压电源，从概念上讲27.5%的占空比可提供一个3.3V的输出电压。图8：降压型转换器操作模式和典型波形。除了上面的取平均法之外，还有另一种推导占空比方程式的方法。理想电感器不能在稳态中拥有DC电压。因此它必须在一个开关周期之内保持电感器伏特-秒平衡。根据图8中的电感器电压波形，伏特-秒平衡要求：因此，(5)式与(3)式相同。可把相同的伏特-秒平衡方法用于其他的DC/DC拓扑，以推导占空比与VIN和VO的关系方程式。降压型转换器中的功率损耗DC传导损耗在采用理想组件(在导通状态中电压降为零，并具有零开关损耗)的情况下，理想降压转换器的效率可达100%。在现实中，功率耗散始终与每一种功率组件有关。在SMPS中有两类损耗：DC传导损耗和AC开关损耗。降压转换器的传导损耗主要源于晶体管Q1、二极管D1和电感器L在传导电流时其两端的电压降。为简化讨论，在下面的传导损耗计算中忽略电感器电流的AC纹波。倘若将MOSFET用作功率晶体管，则MOSFET的传导损耗等于IO2•RDS(ON)•D，式中的RDS(ON)为MOSFETQ1的导通电阻。二极管的传导功率损耗等于IO•VD•(1–D)，式中的VD为二极管D