(电源内部培训)电子系统设计---低压电源的设计

曾国强成都理工大学核技术与自动化工程学院核勘查与核退役系[e-mail]:13881936804低压电源设计电子系统设计2电源的分类什么是PowerSupply?PowerSupply负载Vin,IinPowerSupply是一种提供电力能源的设备，它可以将一种电力能源形式转换成另外一种电力能源形式，并能对其进行控制和调节。上级电能形式Vo,Iof,phasef,phase根据转换的形式分类:AC/DC,DC/DC,DC/AC,AC/AC根据转换的方法分类:线性电源，相控电源，开关电源根据调控的效果分类:稳压，恒流，调频，调相根据调控的方法分类:传统反馈控制，矢量控制，数位控制3衡量电源的重要指标1。稳压系数（线性调整率LineRegulation）K=△U/△Ui;S=(△Uo/Uo)/(△Ui/Ui)2.负载调整率(LoadRegulation)在额定输入电压下，负载电流从零变到满载电流时，输出电压最大的相对变化量，商品化电源都在3%以内。3.内阻R=∣△Uo/△Io∣Ω4.纹波输出电压的纹波包括噪声的绝对值大小（峰峰值）5.纹波电压抑制比(PSRR)Uiw/Uow6.响应时间负载改变开始到电源输出电压稳定需要的时间7.效率η=Pi/Po;4一.线性电源基础1。串联调整型调整管取样电阻比较放大基准电压52。并联联调整型Va↑→Vb↑→I3↑→I1↑→I2↓→Va↓Q9D4ZenerR10R8C6R6II1I2abI36串联型：效率比并联型高；由于交流纹波电流与信号退耦回路重叠因此干扰较大；响应速度不如并联型；并联型：效率很低；干扰小；响应快，适合于功率放大器等要求响应快的场合但不论是串联型还是并联型线性稳压电源的交流纹波电流都远小于开关电源。串联型电路中所谓的交流噪声较大，只是相对于并联型而言，当相对于开关型电源则其额外附带的噪声极小；7二.线性电源的应用D6100uFC102.2KR12Q11BD237Q10TIP3055Q139014D8LM33610uC910KR162KR1810uC11AVVo串联稳压电源应用一：8串联稳压电源应用二：Q7BD237Q3TIP3055Q89014D5LM33610uC310KR52KR910uC5Vo321Q6JFET-NGNDVDD恒流源做Q8负载，提高交流反馈增益，减小反馈误差；9串联稳压电源应用三：814321U1AQ5BD237321Q4JFET-N+18vD23VQ1TIP3055GNDD32V10KR310uC210KR41KR710uC4Vo:5v-18v选择可低压工作，噪声较低，最好是轨对轨的双极型精密运算放大器，GBW不能高，在10MHz以下；D2可避免U1工作在较低的输出电压状态，否则电源无法输出较低电压电子滤波器降低噪声，提高电源噪声抑制比，可将噪声抑制到uV级别；相当于扩大了滤波电容到N倍；故滤波效果也提升了N倍；1011并联稳压电源应用一：VinVoutGNDVR1LM317H470uFC70.1uFC8R1130KR1320KR1720KR1930KR22C17VinVoutGNDVR2LM317H470uFC16847562U1B23184AU2ALM358ADR23D7LM336-2.5vD9LM336-2.5v3.3KR213.3KR1422pFC1422pFC1347RR1547RR20Q12D66910uC1210uC15Q14B649+6V-6V+Vin-VinGND+6v-6v12前置放大器的甲类并联稳压电源（应用二）恒流源差分误差放大器，类似于运算放大器并联调整管适用于对噪声要求极高的发烧级音响前置放大电路的供电电源设计13前置放大器中用过两种稳压电源，一种为一般的三端稳压，另一种为带有源伺服的三端稳压，效果均不很理想。后来试制了一并联甲类稳压电源，效果满意，电路如下图。该稳压电路由三部分构成，第一部分为恒流输出电路，由BG1～BG4及D1、D2，R1、R2等构成，恒流电流由D1、R1、D2、R2的电压和电阻值确定，约160mA，足以驱动任何纯甲类前置放大器。第二部分由BG5～BG12等构成误差电压放大电路。第三部分由BG13～BG16组成分流控制电路。当输出电压发生变化时，由R11～R14检测到的误差信号送到差分放大级放大后，由其集电极输出去控制BG15、BG16的分流电流，改变分流调整管的导通压降，达到稳压的目的。制作时，BG1、BG2、BG15、BG16要加上小型散热器，R1、R2、R17、R18用2W以上电阻，余下电阻用1/4W的金属膜电阻即可，小功率三极管全部用Y档（β在120～240之间），不用配对，调整R12使正负电源对称，然后用固定电阻代替即可。14过压保护电路151A跟随器LinearVoltageRegulator介绍工频（50/60Hz）变压器（AC-AC）开关电源（AC-DC）开关电源（DC-DC）线性调压电源（DC-DC）调压器种类（降压）功能框图调整管参考电平比较放大器ViVoR1R2反馈电压Vo＝VrefX(1＋R2/R1)----AMS1117,1084,1085系列Vo＝VrefX(1＋R1/R2)----TPS763xx系列过流保护过热保护调整管种类达林顿＋NPNPNP＋NPNPNPPMOSPMOS+NMOS电路形式控制电路ViVoROIb调压器工作模式可以用NPN晶体管的电流特性曲线描述（如右图）。工作区间分为线性区和饱和导通区。正常工作时使用的是饱和导通区。等效电路VoRORiVoROβIbIb在线性区，等效一个可变电阻在饱和区，等效一个受控的电流源电流源：β*Ib工作原理：正常工作区（饱和调整区间）工作点P0对应工作输出电流为Ic2当负载变大，输出电流增加到Ic3时，P0移动到P2`在P2`工作点的时候，如果这个时候输入电压Vi增大，而输出电压不变，Vce就会相应增大，因此，工作点由P2`移动到P2同理在P2`状态下，输入电压Vi减小，工作点将由P2`移动到P1如果输入电压进一步下降，会使得控制环路无法正常调整，输出电压将随输入电压下降而下降。－－－跌落区工作原理：跌落区（线性调整区）输出电压跌落区可以定义为稳压器的输输入电压过低，使得内部调整电路无法正常工作输出电压随着输入电压的降低而降低。Ib1对应线性区Rj等效电阻Vce/Ic最大Ib7对应线性区Rj等效电阻Vce/Ic最小右图工作点由P1移动到P2后，输入电压进一步降低，P2开始进入跌落区进入跌落区后，输入电压进一步减小，Ib也会相应减小，工作点移动到P3输入电压再进一步减小，工作点达到Pto输出电压关闭输入电压特性右图是输入电压/输出电压关系坐标图（以TPS763333.3VLDO为例）2.3V以下为关断区2.3V到3.6V为跌落区3.6V到10V为正常调节区性能参数1.DropoutVoltage（最小工作压差）：调压器正常工作所必须的输入输出之间的电压差。它由调整管类型，拓扑结构决定。a）达林顿＋NPN：Vdropout=Vce(sat)+2*Vbe≈1.6~2.5Vb）PNP＋NPN：Vdropout=Vce(sat)+Vbe≈0.9~1.3Vc）PNP：Vdropout=Vce(sat)≈0.15~0.4Vd）PMOS，PMOS＋NMOS：Vdropout=Io*Ron≈35~350mVb),c)和d)又称为LDO(LowDropoutVoltageRegulator)2.QuiescentCurrent（静态电流）：－－越小越好静态电流＝输入电流－输出电流，Iq＝Ii－Io静态电流包括偏置电流，调整管驱动电流（没有流出电压输出管脚的部分）。它由调整管类型，拓扑结构，温度决定。晶体管是电流驱动型，MOS管是电压驱动型，MOS的Iq比晶体管小。性能参数3.效率：－－越高越好效率＝Io*Vo/((Io+Iq)*Vi)*100压差越小，效率越高静态电流越小，效率越高参数达林顿NPNPNPNMOSPMOS最大输出电流Io大大大中中静态工作电流Iq中中大小小最小压差Vdrop1.6～2.50.9～1.30.15～0.40.035～0.350.035～0.35速度Speed快快慢中中5种常用的调整管参数对比性能参数4.LineRegulation（线性调整率）：－－越小越好LineRegulation指的是在相同负载，不同输入电压时，输出端电压的稳定能力。物理公式：△Vo/△Vi=(1+R2/R1)/(β*ga*(Ro+Rce))β:调整管的增益,ga:比较放大的增益β*ga:环路增益，提高环路增益，负载越小，调整管内阻越小，线性调整性能越好。5.LoadRegulation（负载调整率）：－－越小越好LoadRegulation指的是在不同负载，相同输入电压时，输出端电压的稳定能力。物理公式：△Vo/△Io=(1+R2/R1)/(β*ga)β:调整管的增益,ga:比较放大的增益β*ga:环路增益，提高环路增益，可以提高负载调整率。附：Line/LoadRegulation测试方法：为了减小温度影响，保证结温恒定，测试时使用低占空比的测试信号。（60uS脉动周期，输入电压变化，输出负载变化）性能参数6.ThermalRegulation（热调整率）：－－越小越好指在加固定输入电压，带固定负载后的t（通常几十mS）时间内，查看输出电压的变化率。测试结果扣除前60uS的Load/Line调整率。如：测试输入6V，负载Io=100mA,t＝10mS7.TemperatureStability（温度稳定度）：－－越小越好指在正常工作的温度范围内，在固定输入电压，带固定负载，输出电压的变化率AMS1084：正常工作温度结温：0～150度，稳定度0.5%8.TransientResponse（瞬态反应）：－－越小越好指在输出电流Io突变的时候，输出电压跳变的最大电压值。物理公式：△Vtr,max=(Io,max*△t1)/(Co+Cb)+△Vesr△t1:第一个脉冲宽度Co：输出滤波电容△Vesr：Co的ESR产生的电压Cb：退耦电容减小滤波电容ESR，增大滤波电容，减短反应时间△t1，提高瞬态反应性能性能参数9.RippleRejection（纹波抑制比）：－－越小越好又称为电源抑制比，是指输入电压发生变化时，输出电压的变化率，用dB表示。这个和前面的线性调整率有点相似。但是纹波抑制比加入了对输入电压变化的频率的定义。因此，更详细说是输入电压在不同按照不同频率变化时，输出电压的变化率。也就是说，提到纹波抑制比参数需要带频率参数。如：AP1122：在输入电压变化为120Hz时，纹波抑制比是60dB。右下图是纹波抑制比曲线图和线性调整率一样提高环路增益可以提高纹波抑制性能，另外使用大容值，低ESR滤波电容也可以提高性能。使用注意1.输出电容ESR（TunnelofDeath)：反馈：输出电压通过电阻分压采样后和内部的参考电压一起分别送入比较放大器的”-”,”+”端，比较放大器控制调整管，保证输出电压稳定。为了保证器件工作稳定通常都是采用负反馈，也就是反馈信号和输出信号在极性相差180度。而使用中由于有相位偏移存在，实际很难保证完整的－180度。一个稳定的电路，需要有20度的相位余量。由频域波特图分析外部滤波电容ESR对相位影响比较大，太大，太小都会影响器件稳定性。厂商会根据器件给出输出滤波ESR的范围（如右图）ESR取值范围在0.2～9欧姆。此外，容值建议1000uF，容值太大容易造成上电瞬间损坏调整管。使用注意2.反馈电阻网络精度的影响：△Vo=(△R1+△R2)/(R1±△R1)*VrefR1的精度对稳定的精度影响较大。3.热设计：a）Junctiontemperature：内部半导体温度b）Casetemperature：器件外壳温度c）Ambienttemperature:环境温度d）ThermalResistance：热阻，每1W功耗对应的温升，单位℃/W，温升有相对关