电源基础知识上课讲义

在通信电源中，主要用到两种类型的电源，分别为线性电源和开关电源，在这篇文档中，主要针对这两种类型的电源电路的工作原理进行简要的介绍，同时对相关参数和电源芯片的选取方法进行了简要介绍。

一、线性电源这里要介绍的线性电源主要包括低压线性稳压电源LDO电路和芯片内部集成的LDO电路，下面针对这两种电路进行介绍。

1.1 LDO电源1.1.1 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。

1.1.2 LDO的主要参数低压差线性稳压器LDO的主要参数如如下几个：1）输出电压(Output Voltage)输出电压是低压差线性稳压器最重要的参数，也是电子设备设计者选用稳压器时首先应考虑的参数。

低压差线性稳压器有固定输出电压和可调输出电压两种类型。

固定输出电压稳压器使用比较方便，而且由于输出电压是经过厂家精密调整的，所以稳压器精度很高。

但是其设定的输出电压数值均为常用电压值，不可能满足所有的应用要求，但是外接元件数值的变化将影响稳定精度。

2）最大输出电流(Maximum 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，应根据各部分所需的电流值选择适当的稳压器。

3）输入输出电压差(Dropout Voltage)输入输出电压差也是低压差线性稳压器重要的参数。

在保证输出电压稳定的条件下，该电压压差越低，线性稳压器的性能就越好。

比如，5.0V的低压差线性稳压器，只要输入5.5V电压，就能使输出电压稳定在5.0V。

4）接地电流(Ground Pin Current)接地电路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晶体管作串联调整管元件时，这种习惯叫法是不正确的。

通常较理想的低压差稳压器的接地电流很小。

5）负载调整率(Load Regulation)负载调整率可以通过图1-2和式1-1来定义，LDO的负载调整率越小，说明LDO抑制负载干扰的能力越强。

图1-2 Output Voltage&Output Current(1-1)式中，△Vload—负载调整率Imax—LDO最大输出电流Vt—输出电流为Imax时，LDO的输出电压Vo—输出电流为0.1mA时，LDO的输出电压△V—负载电流分别为0.1mA和Imax时的输出电压之差6）线性调整率(Line Regulation)线性调整率可以通过图1-3和式1-2来定义，LDO的线性调整率越小，输入电压变化对输出电压影响越小，LDO的性能越好。

图1-3 Output Voltage&Input Voltage(1-2) 式中，△Vline—LDO线性调整率Vo—LDO名义输出电压Vmax—LDO最大输入电压△V—LDO输入Vo到Vmax'输出电压最大值和最小值之差7）电源抑制比(PSSR)LDO的输入源往往许多干扰信号存在。

PSRR反映了LDO对于这些干扰信号的抑制能力。

1.1.3 LDO电源芯片的选取低压降（LDO）线性稳压器的成本低，噪音低，静态电流小，这些是它的突出优点。

它需要的外接元件也很少，通常只需要一两个旁路电容。

LDO的输入电流基本上是等于输出电流的，如果压降太大，耗在LDO上能量太大，效率不高。

如果输入电压和输出电压很接近，最好是选用LDO稳压器，可达到很高的效率。

压差Dropout、噪音Noise、电源抑制比PSRR、静态电流Iq，这是LDO的四大关键数据。

在选择LDO时，需要考虑的基本问题包括输入电压范围、预期输出电压、负载电流范围以及其封装的功耗能力等。

1）输入、输出以及降低电压选择输入电压范围可以适应电源的LDO。

在确定LDO是否能够提供预期输出电压时需要考虑其压降。

输入电压必须大于预期输出电压与特定压降之和，即VIN>VOUT+VDROPOUT。

如果VIN降低至必需的电压以下，则我们说LDO出现“压降”。

输出等于输入减去旁路元件的RDS(on)乘以负载电流。

选用可提供预期输出电压的LOD作为节省外部电阻分压器成本与空间的固定选项，外部电阻分压器一般用于设置可调器件的输出电压。

利用可调LDO可以设置输出，以提供内部参考电压，其一般为1.2V左右，只需把输出连接到反馈引脚。

2）负载电流要求考虑负载需要的电流量并据此选择LDO。

3）封装与功耗小型封装包括流行的3×3mm SOT-23、小型2.13×2.3 mm SC-70以及亚1毫米高度封装、Thin SOT及无引线四方扁平封装(QFN)。

由于在下侧采用了能够在器件与PC板之间建立高效散热接触的散热垫，QFN因而可提供更好的散热特性。

一般来说，封装尺寸越小，功耗越小。

但是QFN封装可以提供极佳的散热性能，这种性能完全可与尺寸是其1.5～2倍的众多封装相媲美。

不要超过封装的最大功耗额定值。

功耗可以采用PDISSIPATION=(VIN-VOUT)/(IOUT+IQ)进行计算。

4）LDO拓扑与IQ为了最大化电池的运行时间，需要选择相对于负载电流来说静态电流IQ较低的LDO。

例如，考虑到IQ只增加0.02％的微不足道的电池消耗，在100mA负载情况下，一般采用200μA的IQ比较合理。

另外，需要注意在数据表中对IQ 是如何规定的。

某些器件是在室温条件下规定的，或者只提供显示IQ与温度关系的典型曲线。

尽管这些情况有用，但是并不能保证最大的静态电流。

如果IQ 比较重要，则需要选择在所有负载、温度和工艺变量情况下都能保证IQ的器件，并且需要选择MOS类旁路器件。

5）输出电容器典型LDO应用需要增加外部输入和输出电容器。

选择对电容器稳定性方面没有要求的LDO，可以降低尺寸与成本，另外还可以完全消除这些元件。

请注意，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10豪欧量级，而钽电容器ESR在100豪欧量级。

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。

1.2 芯片内部集成LDO电路对于带有集成LDO电路的芯片，只要在外部加上适当的调节电路便可产生芯片所需的相应电压。

工作原理同1.1中介绍，这里不再赘述。

以芯片AR7240的内部集成LDO电路为例，如图1-4所示，该芯片内部集成了多个LDO电路，通过外部3.3V电压结合PNP二极管等即可为芯片电路提供工作所需的1.2V，2.5V等电压。

图1-4 AR7240内部集成LDO电路二、开关电源开关稳压器利用无源磁性元件和电容电路元件的能量存储特性，从输入电压源获取分离的能量，暂时地把能量以磁场形式存储在电感器中，或以电场形式存储在电容器中，然后将能量转换到负载，实现DC/DC变换。

开关稳压器拓扑结构可分为两种基本类型：非隔离型（在工作期间输入源和输出负载共用一个共同的电流通路）和隔离型（能量转换是用一个相互耦合磁性元件（变压器）来实现的，而且从源到负载的耦合是借助于磁通而不是共同的电器）。

三种基本的非隔离开关电源电路如图2-1所示，分别为BUCK降压电路，BOOST升压电路和BUCK/BOOST升降压电路；三种基本的非隔离开关电源如2-2所示，分别为反激变换器，正激变换器和桥式变换器。

图2-1 三种基本的非隔离开关电源电路图2-2 三种基本的隔离开关电源电路在低功率情况下，常用的开关电源电路有BUCK、 BOOST和反激电路，接下来主要针对这几种电路进行相关工作原理的介绍。

2.1 BUCK电路BUCK基本电路如图2-3(A)所示，T是开关器件，D为续流二极管，L和C组成LPF滤波电路。

工作过程中，开关T 和二极管D 轮流导通，等效电路如图2-3(B)和2-1(C)所示。

当],0[DT t ∈时，控制信号使开关T 导通，D 截止，输入电压经T 和L 向C 充电，这一电流使电感L 中的储能增加，电容C 充电；当],[T DT t ∈时，T 截止，D 续流，电感L 感应出左负右正的电压，经负载R 和续流二极管D 释放电感L 中储存的能量，输出电压U0靠C 放电和L 中电流下降维持。

图2-3 BUCK 基本电路2.2 BOOST 电路BOOST 电路是一种开关直流升压电路，基本电路如图2-4所示。

开关管导通时，电源经由电感-开关管形成回路，电流在电感中转化为磁能贮存；开关管关断时，电感中的磁能转化为电能在电感端左负右正，此电压叠加在电源正端，经由二极管-负载形成回路，完成升压功能。

图2-4 BOOST 基本电路下面要分充电和放电两个部分来说明这个电路。

1）充电过程在充电过程中，开关导通，二极管截止，等效电路如图2-5，开关处用导线代替。

这时，输入电压流过电感。

二极管防止电容对地放电。

由于输入是直流电，所以电感上的电流以一定的比率线性增加，这个比率跟电感大小有关。

随着电感电流增加，电感里储存了一些能量。

图2-5 BOOST电路充电过程2）放电过程如图2-6所示，这是当开关断开，二极管导通时的等效电路。

当开关断开时，由于电感的电流保持特性，流经电感的电流不会马上变为0，而是缓慢的由充电完毕时的值变为0。

而原来的电路已断开，电感只能通过新电路放电，即电感开始给电容充电，电容两端电压升高，此时电压已经高于输入电压了，升压完毕。

图2-6 BOOST电路放电过程说起来升压过程就是一个电感的能量传递过程。

充电时，电感吸收能量，放电时电感放出能量。

如果电容量足够大，那么在输出端就可以在放电过程中保持一个持续的电流。

如果这个通断的过程不断重复，就可以在电容两端得到高于输入电压的电压。

2.3 反激电路所谓反激式变压器开关电源，是指当变压器的初级线圈正好被直流脉冲电压激励时，变压器的次级线圈没有向负载提供功率输出，而仅在变压器初级线圈的激励电压被关断后才向负载提供功率输出，这种变压器开关电源称为反激式开关电源。