应用低压差线性稳压器（LDO）优化开关电源设计

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 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 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 开关电源负载调整率测试电路 图4-2 开关电源输出电压和负载关系曲线 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