低压差线性稳压器在开关电源中的应用

中心论题：

• 开关稳压电源的原理和结构。
• 开关稳压电源的优点和缺点。
• 一种微功耗的低压差线性稳压器LDO的简介。
• LDO于开关电源的应用。

• 通过调频或调宽补偿输入信号电压的变化。
• 开关稳压电源的工作频率是线性稳压电源的1000倍提高滤波效率。
• 具有极低的自有噪声和较高的电源抑制比的LDO保证输出电压的稳定。

A 引言
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。

B 开关稳压电源的结构
图(1)画出了开关稳压电源的原理图及等效原理框图，它是由全波整流器，开关管Vi，激励信号，续流二极管VD，储能电感和滤波电容C组成。实际上，开关稳压电源的核心部分是一个直流变压器。这里我们对直流变换器和逆变器作如下解释。逆变器，它是把直流转变为交流的装置。逆变器通常被广泛地应用在采用电平或电池组成的备用电源中。直流变换器，它是把直流转换成交流，然后又把交流转换成直流的装置。这种装置被广泛地应用在开关稳压电源中。采用直流变换器可以把一种直流供电电压变换成极性、数值各不同的多种直流供电电压。

C 开关稳压电源的优点和缺点
a开关稳压电源的优点
功耗小，效率高。在图(1)中的开关稳压电源电路中，晶体管V在激励信号的激励下，它交替地工作在导通截止和截止导通的开关状态，转换速度很快，频率一般为50kHz左右，在一些技术先进的国家，可以做到几百或者近1000kHz。这使得开关晶体管V的功耗很小，电源的效率可以大幅度地提高，其效率可达到80％。


体积小，重量轻。从开关稳压电源的原理框图可以清楚地看到这里没有采用笨重的工频变压器。由于调整管V上的耗散功率大幅度降低后，又省去了较大的散热片。由于这两方面原因，所以开关稳压电源的体积小，重量轻。

稳压范围宽。从开关稳压电源的输出电压是由激励信号的占空比来调节的，输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿，这样，在工频电网电压变化较大时，它仍能够保证有较稳定的输出电压。所以开关电源的稳压范围很宽，稳压效果很好。此外，改变占空比的方法有脉宽调制型和频率调制型两种。这样，开关稳压电源不仅具有稳压范围宽的优点，而且实现稳压的方法也较多，设计人员可以根据实际应用的要求，灵活地选用各种类型的开关稳压电源。

滤波的效率大为提高，使滤波电容的容量和体积大为减少。开关稳压电源的工作频率目前基本上是工作在50kHz，是线性稳压电源的1000倍，这使整流后的滤波效率几乎也提高了1000倍。就是采用半波整流后加电容滤波，效率也提高了500倍。在相同的纹波输出电压下，采用开关稳压电源时，滤波电容的容量只是线性稳压电源中滤波电容的1／5001／1000。

电路形式灵活多样。例如，有自激式和他激式，有调宽型和调频型，有单端式和双端式等等，设计者可以发挥各种类型电路的特长，设计出能满足不同应用场合的开关稳压电源。

b 开关稳压电源的缺点
开关稳压电源的缺点是存在较为严重的开关干扰。开关稳压电源中，功率调整开关晶体管V工作在开关状态，它产生的交流电压和电流通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振干扰，这些干扰如果不采取一定的措施进行抑制、消除和屏蔽，就会严重地影响整机的正常工作。此外由于开关稳压电源振荡器没有工频变压器的隔离，这些干扰就会串入工频电网，使附近的其他电子仪器、设备和家用电器受到严重的干扰。

目前，由于国内微电子技术、阻容器件生产技术以及磁性材料技术与一些技术先进国家还有一定的差距，因而造价不能进一步降低，也影响到可靠性的进一步提高。所以在我国的电子仪器以及机电一体化仪器中，开关稳压电源还不能得到十分广泛的普及及使用。特别是对于无工频变压器开关稳压电源中的高压电解电容器、高反压大功率开关管、开关变压器的磁芯材料等器件，在我国还处于研究、开发阶段。在一些技术先进国家，开关稳压电源虽然有了一定的发展，但在实际应用中也还存在一些问题，不能十分令人满意。这暴露出开关稳压电源的又一个缺点，那就是电路结构复杂，故障率高，维修麻烦。对此，如果设计者和制造者不予以充分重视，则它将直接影响到开关稳压电源的推广应用。当今，开关稳压电源推广应用比较困难的主要原因就是它的制作技术难度大、维修麻烦和造价成本较高

D LDO简介
LDO是一种微功耗的低压差线性稳压器，它通常具有极低的自有噪声和较高的电源抑制比PSRR(PowerSupplyRejectionRatio)。

LDO低压差线性稳压器的结构如图(2)主要包括启动电路、恒流源偏置单元、使能电路、调整元件、基准源、误差放大器、反馈电阻网络和保护电路等。基本工作原理是这样的：系统加电，如果使能脚处于高电平时，电路开始启动，恒流源电路给整个电路提供偏置，基准源电压快速建立，输出随着输入不断上升，当输出即将达到规定值时，由反馈网络得到的输出反馈电压也接近于基准电压值，此时误差放大器将输出反馈电压和基准电压之间的误差小信号进行放大，再经调整管放大到输出，从而形成负反馈，保证了输出电压稳定在规定值上，同理如果输入电压变化或输出电流变化，这个闭环回路将使输出电压保持不变，即：Vout=(R1+R2)／R2 ×Vref


实际的低压差线性稳压器还具有如负载短路保护、过压关断、过热关断、反接保护等其它的功能。

E LDO应用于开关电源
目前大多IC设计产商生产的低压差线性稳压器(LDO)典型封装都是SOT23-5和SOT23-3，如圣邦微电子的SGM2007，SGM2013。如图(3)为SGM2007的典型应用电路图。


目前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的开关频率100kHz，用MOS-FET制成的开关频率500kHz电源。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。当用开关电源做为LDO的输入VIN时要注意LDO电源抑制比和功耗。

电源抑制比PSRR(Power supply ripple rejectionratio)是反应LDO输出对输入纹波抑制能力的一个交流参数，一般输出和输入的频率是一样的，PSRR的值越大说明LDO的纹波能力越强，也就是说输入对输出的影响很小。尽管LDO的电源抑制比很强，但都是在一定频率内的抑制很强，一般的在50KHz到200kHz的电源抑制比还是很差的如图(4)为SGM2007的PSRR和频率曲线，而这段频率正是大多数开关电源的工作频率，如果LDO的负载和输入输出电容匹配不好，很容易引起LDO振荡。而造成整个LDO供电系统的不稳定。

目前市场上出售的开关电源大多数都是固定电压输出的，一般常用都是5V输出的，而一般的LDO应用最多的是3.3V输出的，在开关电源的输出做为LDO的输入时，就存在一个很大的压差，为1.7V。如果LDO电流很大的话如200mA，那么芯片的温度就会很高，功耗很大，长时间工作在高温的情况下，会影响芯片的工作寿命。


低压差线性稳压器功耗主要是输入电压，输出电压以及输出电流的函数。下列方程式可用来计算最恶劣情况下的功耗：PD=(VINMAX-VOUTMIN)ILMAX。其中：PD=最恶劣情况下的实际功耗，VINMAX=VIN脚上的最大电压，VOUTMIN=稳压器输出的最小电压，ILMAX=最大(负载)输出电流。

最大允许功耗(PDMAX)是最大环境温度(TAMAX)，最大允许结温(TJMAX)(+125℃)和结点到空气间热阻(θJA)的函数。对于安装在典型双层FR4电解铜镀层PCB板上的5引脚SOT-23封装器件，其(θJA)约为250℃／Watt。

PDMAX=(TAMAX-TJMAX)/θJA
VINMAX=3.0V+10％，VOUTMIN=2.7V-2.5％，ILOADMAX=40mA，TJMAX=+125℃，TAMAX=+55℃
实际功耗PD=26.7mW，最大允许功耗：PDMAX=280mW

F 结论
当开关电源做为低压差线性稳压器输入时，一定要注意开关电源的纹波，开关频率对LDO的影响，及LDO负载电容的匹配，不要超过他的最大功耗，以影响系统的稳定性。