应用低压差线性稳压器(LDO)优化开关电源设计
     关键词: LDO;负载调整率;电磁干扰(EMI);过流保护|应用低压差线性稳压器(LDO)优化开关电源设计||曹会宾||| 摘要:本文介绍了低压差线性稳压器(LDO)的基本原理及选用原则,并将其应用于开关电源设计之中,简化了开关电源(SPS)的多路输出设计,减小了负载调整率,有效地抑制了电磁干扰(EMI),以及加强了开关电源的过流保护功能。

引言
电源是各种电子设备必不可缺的组成部分,其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作。目前常用的直流稳压电源分线性电源和开关电源两大类,由于开关电源内部关键元器件工作在高频开关状态,本身消耗的能量很低,开关电源效率可达80%~90%,比普通线性稳压电源提高近一倍,目前它已成为稳压电源的主流产品。本文介绍一种应用低压差线性稳压器(LDO)优化开关电源的设计方案,并对该方案的可行性通过实验加以验证。
一.LDO的基本原理
低压差线性稳压器(LDO)的基本电路如图1-1所示,该电路由串联调整管VT、取样电阻R1和R2、比较放大器A组成。

图1-1
图1-1 低压差线性稳压器基本电路

取样电压加在比较器A的同相输入端,与加在反相输入端的基准电压Uref相比较,两者的差值经放大器A放大后,控制串联调整管的压降,从而稳定输出电压。当输出电压Uout降低时,基准电压与取样电压的差值增加,比较放大器输出的驱动电流增加,串联调整管压降减小,从而使输出电压升高。相反,若输出电压Uout超过所需要的设定值,比较放大器输出的前驱动电流减小,从而使输出电压降低。供电过程中,输出电压校正连续进行,调整时间只受比较放大器和输出晶体管回路反应速度的限制[1]。
应当说明,实际的线性稳压器还应当具有许多其它的功能,比如负载短路保护、过压关断、过热关断、反接保护等,而且串联调整管也可以采用MOSFET。
二.LDO的选用原则
1.输入输出电压差(Dropout Voltage)
输入输出电压差是低压差线性稳压器最重要的参数。在保证输出电压稳定的前提下,该电压差越低,线性稳压器的性能越好。比如,5.0V的低压差线性稳压器,只要输入5.3V,就能使输出电压稳定在5.0V。
2.最大输出电流(Maximal Output Current)
用电设备的功率不同,要求稳压器输出的最大电流也不相同。通常,输出电流越大的稳压器成本越高。为了降低成本,在多只稳压器组成的供电系统中,应根据各部分所需要的电流值选择适当的稳压器。
3.负载调整率(Load Regulation)
负载调整率是众多电源设备一个非常重要的参数,它反映了电源抑制负载干扰的能力,负载调整率越低,输出负载对输出电压的影响越小,LDO的品质就越好。
4.接地电流(Ground Pin Current)
接地电流IGND是指串联调整管输出电流为零时,输入电源提供的稳压器工作电流。该电流有时也称为静态电流,但是采用PNP晶体管作串联调整元件时,这种习惯叫法是不正确的。通常较理想的低压差线性稳压器的接地电流很小。
5.输出电容器
典型LDO需要增加外部输入和输出电容器。利用较低ESR的大电容器一般可以全面提高PSRR、噪声以及瞬态性能。
陶瓷电容器通常是首选,因为它们价格低而且故障模式是断路,相比之下钽电容器比较昂贵且其故障模式是短路。输出电容器的等效串联电阻(ESR)会影响其稳定性,陶瓷电容器具有较低的ESR,大概为10mΩ量级,而钽电容器ESR在100mΩ量级。另外,许多钽电容器的ESR随温度变化很大,会对LDO性能产生不利影响。电容的具体应用需要咨询LDO厂商以确保正确的实施[2]。
6.封装
选择LDO产品时应考虑LDO的散热,负载大的LDO应尽可能选择大封装,这样有利于LDO性能稳定。
遵循以上原则,本文选择哈尔滨圣邦微电子有限公司生产的SG2002和SG2012系列LDO。这些芯片的性能和国外一流IC设计公司的产品不相上下,但价格要便宜得多。
三.LDO应用于开关电源设计
应用LDO于开关电源的电路如图3-1所示,图中虚线部分是开关电源通常采用的电
图3-1
图3-1 LDO应用于开关电源原理

路,它可以给LDO提供+6V/1.5A的输出电压/电流。该电源应用SG2002-5.0XN5/TR、SG2012-3.3XKC3/TR、SG2012-2.5XKC3/TR以及SG2012-1.8XKC3/TR分别生成+5.0V/0.3A、3.3/0.4A、2.5V/0.4A以及1.8V/0.4A电压/电流。图中LDO芯片的输入端和输出端接有1u的瓷片电容,以此提高LDO的稳定性。在每个LDO的BP端接上一个0.01u的瓷片电容,可以有效地降低LDO的输出噪声。
LDO在开关电源中的作用:
1.简化开关电源设计
开关电源多路输出一般通过增加高频变压器反馈端来实现,这使得开关电源在设计过程中增加了设计者的工作量。应用LDO作为开关电源的输出终端,可以极大地简化开关电源的设计,缩短开发周期。
2.提高开关电源的负载调整率
LDO是来稳定电源电压的专用芯片,目前有很多公司设计的LDO的负载调整率非常小。如国外的TI、MAXIM和ADI公司,其负载调整率可以做到0.01%/mA,国内如哈尔滨圣邦,其负载调整率低于0.002%/mA。应用LDO可以大幅度降低开关电源负载调整率。
3.有效的滤除开关电源电磁干扰(EMI),减小纹波输出
开关电源的突出缺点是产生较强的电磁干扰(EMI)。EMI信号既具有很宽的频率范围,又有一定的幅度,经传导和辐射会污染电磁环境,对通信设备和电子产品造成干扰。如果处理不当,开关电源本身就会变成一个干扰源。LDO有较高的电源抑制比(PSRR),且LDO是低噪声器件,因此应用LDO可以有效地滤除开关电源电磁干扰(EMI),减小纹波输出[3]。
4.为开关电源提供过流保护
尽管许多PWM控制芯片本身具有过流保护功能,但LDO的过流保护功能可以提升开关电源的安全系数。
四. 试验与分析
接下来,通过以下两个实验来验证该方案的可行性:
1.测量负载调整率
实验电路如图4-1所示。由电子负载依次拉出0mA到400mA的电流,在每个负载点记录下开关电源的输出电压。测试数据经过处理,可以得出图4-2所示的图表。
图4-1
图4-1 开关电源负载调整率测试电路

图4-2
图4-2 开关电源输出电压和负载关系曲线

图4-2
图4-2 开关电源输出电压和负载关系曲线

该图表充分说明,LDO优秀的负载调整率已经被完全移植到开关电源上,换言之,LDO极大地提高了开关电源的负载调整率。
2.输出纹波的测量
分别在开关电源的LDO输入端和输出端接上示波器,可以得出图4-3所示的波形。其中Ch1是LDO输入端的输出波形,而Ch2是LDO输出端的输出波形,即开关电源的最终输出波形。


由上图可以看出,LDO有效地滤除了开关电源电磁干扰(EMI)信号,相对于搭建常规EMI过滤器来讲,应用LDO更简单可靠。
结论
目前,LDO广泛应用于便携式电子设备中。本文就LDO的原理和选用原则展开讨论,并将其应用于开关电源设计中。从而简化了开关电源多路输出设计,降低了开关电源的负载调整率,有效地滤除了EMI信号以及加强了过流保护功能。最后,通过实验,证明了该方案的可行性。
参考文献
1.王国华,王鸿麟,羊彦.便携电子设备电源管理技术.西安电子科技大学出版社.2004
2.Land Pham.LDO的选用. http://www.ti.com.cn/customer/article/2004/06/0607_2.asp
3.沙占友.新型单片开关电源的设计与应用.电子工业出版社.2001.6

相关阅读
  • ldo低压差线性稳压器在开关电源中
  • 低压差线性稳压器(LDO)在开关电
  • 低压差线性稳压器在开关电源中的应
  • LDO(低压差)线性稳压器与BUCK(降
  • 低压差线性稳压器在开关电源中的应
  • 低压差线性稳压器过流保护电路设计
  • LDO低压差线性稳压器的简介
  • 低压差线性稳压器在开关电源上应用
  • 低压差线性稳压器在开关电源中应用
  • 低压差线性稳压器设计要点
  • 低压差线性稳压器应用技巧的内容简
  • 低压差线性稳压器在开关电源中的应
  • 低压差线性稳压器在开关电源中的应
  • 低压差线性稳压器在开关电源中解决
  • 低压差线性稳压器在开关电源中解决
  • 低压差线性稳压器的拓扑结构与应用
  • 低压差线性稳压器(LDO)的压差和
  • ldo(低压差线性稳压器)知识总结
  • 超低压差线性稳压器的拓扑架构及应
  • 超低压差线性稳压器的拓扑架构及应
  • 低压差线性稳压器设计要点
  • LDO(低压差线性稳压器)知识总结
  •  

     
     
         

    收录时间:2015年09月14日 02:32:22 来源:中国工控网 作者:匿名
    上一篇:开关电源维修方法及经验  (电脑版  手机版)
     
    创建分享人
    tlzz66
    最新问题
     
    喜欢此文章的还喜欢
    Copyright by www.chinabaike.com;All rights reserved. 联系:QQ:469681782