用低压差线性稳压器优化开关电源设计 开关电源, 可行性

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电源是各种电子设备必不可缺少的组成部分，其性能的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。
LDO的基本原理
低压差线性稳压器(LDO)的基本电路如图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。


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。
应当说明的是，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。
LDO的选用原则
1. 输入输出电压差
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5.5V，就能使输出电压稳定在5.0V。
2. 最大输出电流
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
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
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电源抑制比(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10 mΩ量级，而钽电容器ESR在100 mΩ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厂商以确保正确实施。
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。
LDO应用于开关电源设计
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。
应用LDO于开关电源的电路如图2所示，图中虚线部分是开关电源通常采用的电路，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1uF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0.01uF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。应用LDO可以大幅度地降低开关电源负载调整率。
3. 有效滤除开关电源电磁干扰，减小纹波输出
开关电源的突出缺点是产生较强的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，且LDO是低噪声器件，因此应用LDO可以有效地滤除开关电源EMI，减小纹波输出。
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。
试验分析


下面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3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所示的图表。该图充分说明，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5所示的波形。其中Ch1是LDO入口处的输出波形，而Ch2是LDO出口处的输出波形，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EMI信号，相对于搭建常规EMI过滤器来讲，应用LDO更简单可靠。