电源基础知识
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电源基础知识
第 1 页 共 12 页 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 电源基础知识
第 2 页 共 12 页 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) 电源基础知识
第 3 页 共 12 页 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 电源基础知识
第 4 页 共 12 页 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。 电源基础知识
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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。 电源基础知识
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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。 电源基础知识
第 7 页 共 12 页 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[DTt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],[TDTt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
