-通用集成稳压电源

1、河北科技大学信息科学与工程学院2009.10数字化测量技术数字化测量技术第六章 通用集成稳压电源第四节第四节 低压差线性稳压器的基本原理低压差线性稳压器的基本原理第五节第五节 低压差线性稳压器的应用技巧及设计要点低压差线性稳压器的应用技巧及设计要点第六节第六节 由脉宽调制器构成的开关电源由脉宽调制器构成的开关电源第四节 低压差线性稳压器的基本原理线性稳压器存在的问题： 线性稳压器最主要的缺点是效率低，如5V输出型在交流电源电压波动20的条件下，在电源电压最高时和标称值时的效率分别不高于27和33。 线性稳压电源的效率低，主要原因是调整管的最小压差、整流效率、整流变压器效率、电网电压波动、整流滤

2、波后的高幅值纹波(通常58V甚至更高)等的影响。 提高电源转换效率三条途径： 一是尽量降低线性稳压器的输入电压； 二是采用开关电源来降低功耗； 三是选用低压差稳压器。 低压差集成稳压器是近年来问世的高效率线性稳压集成电路，亦可作为高效DCDC变换器使用 第四节 低压差线性稳压器的基本原理 线性稳压器即线性电压调节器，输入输出之间电压差是一个非常重要的技术指标。为减小自身损耗提高效率，希望稳压器本身的电压降尽可能小。 输入输出电压之差比较小的稳压器，称作低压差(LowDropout，缩写是LDO)稳压器。 传统稳压器输入输出压差一般取46V，是造成效率低主要原因。若不考虑电源变压器和整流器损耗，

3、电源总功率P就等于稳压器功耗Pd与输出功率P0之和 ：一、低压差线性稳压器的主要特点第四节 低压差线性稳压器的基本原理一、低压差线性稳压器的主要特点第四节 低压差线性稳压器的基本原理一、低压差线性稳压器的主要特点一、低压差线性稳压器的主要特点 只适用于降压变换，其效率与输入、输出电压比有关。 根据负载电阻的变化情况来调节自身的内电阻，从而保证稳压输出端的电压不变。其变换效率可以简单地看作输出与输入电压之比。 芯片所占面积仪为几个平方毫米，只要求外接输人和输出电容即可工作。采用线性调节原理，LDO稳压器本质上没有输出纹波。随着输入输出电压差别增大或者输出电流增加，LDO稳压器的发热比也会按比例增

4、大，所以，对散热控制方面要求很高。第四节 低压差线性稳压器的基本原理超低压差线性稳压器（超低压差线性稳压器（VLDO） 如电话中一个如电话中一个LDO的输入电源是标称值为的输入电源是标称值为3.6V的单节锂的单节锂离子电池，在电流为离子电池，在电流为200mA时输出时输出1.8V电压，那么转换效率电压，那么转换效率仅为仅为50%，因此在电话中产生了一些发热点，缩短了电池工，因此在电话中产生了一些发热点，缩短了电池工作时间。但是当电压差较小时，如电压从作时间。但是当电压差较小时，如电压从1.5V降低到降低到1.2V，那么效率就变成了那么效率就变成了80% 标准低压差(LDO)稳压器压差通常高于7

5、00mV，一个VLDO稳压器压差低于300mV，可非常容易地把电压从1.5V降低至1.2V，并能够以80%的效率实现这样的降压。 在这一电压上的功率级通常为100mA左右，那么24mW的功率损耗是可以接受的。 第四节 低压差线性稳压器的基本原理超低压差线性稳压器用途超低压差线性稳压器用途超低压差超低压差线性稳压器线性稳压器特别适合采用电池供电的便携式电子特别适合采用电池供电的便携式电子产品，如笔记本电脑、手机、产品，如笔记本电脑、手机、MP3播放器、数码相机、数码播放器、数码相机、数码摄录像机、数字视频光盘（摄录像机、数字视频光盘（DVD）、可视电话、全球定位系）、可视电话、全球定位系统（统（

6、GPS）、机顶盒（）、机顶盒（STB）、便携式仪表、汽车电子设备）、便携式仪表、汽车电子设备等。等。 作为开关型开关稳压器的后级稳压器，综合两者优势，提高效率降低输出噪声及纹波。用作低电压现场可编程门阵列（FPGA)、可编程逻辑电路（PLD）、专用集成电路（ASIC）及数字信号处理器（DSP）的电源。第四节 低压差线性稳压器的基本原理1、PNP型低压差线性稳压器的基本原理型低压差线性稳压器的基本原理二、低压差线性稳压器的基本原理二、低压差线性稳压器的基本原理 由低饱和压降的PNP型晶体管作内部调整管的PNP型低压差线性稳压器（LDO，Low Dropout Linear Regulator）；

7、 如锗类PNP管饱和压降远低于硅类NPN管较大的驱动电流并未提供给负载式中不含2UBE ，可大大降低输入输出压差。Uces的变化范围100-700mv（典型500mv）最小压差UUCES缺点：静态工作电流较大（一般2040mA），不利于电池供电系统第四节 低压差线性稳压器的基本原理2、准低压差线性稳压器（、准低压差线性稳压器（QLDO）的基本原理）的基本原理二、低压差线性稳压器的基本原理二、低压差线性稳压器的基本原理 由PNP型驱动管和NPN型调整管构成的准低压差稳压器（QLDO，Quasi Low Dropout Linear Regulator）； 利用较小UBE PNP管作为推动较小的驱

8、动电流并未提供给负载式中只含UBE ，PNP的 UBE在0.150.3V;NPN调整管随饱和深度在0.751.2V变化；输入输出压的变化范围0.91.5（典型1.2v）最小压差UUBE+UCES特点：兼有普通集成稳压器驱动电流小、低压差集成稳压器输入输出压差低的优点第四节 低压差线性稳压器的基本原理3、超低压差线性稳压器（、超低压差线性稳压器（VLDO）的基本原理）的基本原理二、低压差线性稳压器的基本原理二、低压差线性稳压器的基本原理由导通电阻非常低的功率场效应晶体管构成的超低压差线性稳压器（VLDO，Very Low Dropout Linear Regulator）。 导通电阻型器件导通电

9、阻极小电压驱动，驱动电流极小图中用P沟道MOSFET代替PNP调整管；MOSFET呈电阻性，其驱动电流静态几乎为零，致使电流对应的漏、源电压为零，且导通电阻很低(几毫欧至数十毫欧)。最小压差U= RDS（on）IO 100mv特点：静态工作电流极小（uA级），输出电流更大，具有关断效果。第四节 低压差线性稳压器的基本原理线性稳压器的线性稳压器的5种基本类型种基本类型三、低压差线性稳压器与其他稳压器的性能比较三、低压差线性稳压器与其他稳压器的性能比较1、最小压差2、驱动电流3、效率4、纹波5、尺寸具体见P102表 6-4-22.530.91.50.30.60.1左右0.1左右第五节 低压差线性稳

10、压器的应用技巧及设计要点2、由、由SPX158构成的奔腾微处理器电源构成的奔腾微处理器电源一、低压差线性稳压器的应用技巧一、低压差线性稳压器的应用技巧最大输出电流最大输出电流 8AVOUT精度精度 1%,2%规格：规格： 3.3V 5V 可调可调 电压差电压差(V) 1.10静态电流静态电流 5mA输入电压输入电压 2.75V-7V封装封装 TO 220电压调整率电压调整率 0.015%负载调整率负载调整率 0.1%内基准电压1.240V调整端电流最大：90uA第五节 低压差线性稳压器的应用技巧及设计要点2、由、由NCV8141构成的微处理器电源构成的微处理器电源一、低压差线性稳压器的应用技巧

11、一、低压差线性稳压器的应用技巧制造商制造商 安森美安森美最大输出电流最大输出电流 500mA规格：规格： +5VVOUT精度精度 4%电压差电压差(V) 2V静态电流静态电流 7mA/50uA(眠)输入电压输入电压 7V-26V封装封装 D2PAK电压调整率电压调整率 0.1%负载调整率负载调整率 0.8%第五节 低压差线性稳压器的应用技巧及设计要点3、由、由MIC2941构成输出构成输出电压可选择的低压差稳压器电压可选择的低压差稳压器一、低压差线性稳压器的应用技巧一、低压差线性稳压器的应用技巧制造商制造商 美国美国Micrel最大输出电流最大输出电流 1.25A规格：规格： 可调可调VOUT

12、精度精度 4%电压差电压差(V) 400mV输入电压输入电压 1.2V-26V封装封装 TO-263 TO-220-5电压调整率电压调整率 0.1%负载调整率负载调整率 0.16%第五节 低压差线性稳压器的应用技巧及设计要点1）输入电压）输入电压 必须大于额定输出电压与输入一输出压差之和，即必须大于额定输出电压与输入一输出压差之和，即U1U0+U。否则否则LDO将失去稳压功能，输出电压会随输入电压而改变；将失去稳压功能，输出电压会随输入电压而改变； 根据应用电流确定根据应用电流确定U0就等于输入电压减去调整管导通电阻就等于输入电压减去调整管导通电阻(RON)与负载电流的乘积，即与负载电流的乘积

13、，即U0=U1-RONI0。二、低压差线性稳压器的设计要点二、低压差线性稳压器的设计要点2）滤波）滤波 低压差线性稳压器有很好的高频响应，分布电感电容易引起高频低压差线性稳压器有很好的高频响应，分布电感电容易引起高频振荡（自激），输入输出电容要尽量靠近稳压器件。振荡（自激），输入输出电容要尽量靠近稳压器件。 输入电容并联输入电容并联0.1的高频电容（如陶瓷电容器）以消除寄生阻抗。的高频电容（如陶瓷电容器）以消除寄生阻抗。3）印制板的布局）印制板的布局 LDO输出引线电阻输出引线电阻(r01和和r02)，因负载电流会造成压降（脉动影，因负载电流会造成压降（脉动影响更大），影响对负载的调整。负载距

14、离响更大），影响对负载的调整。负载距离LDO很远时，长引线还极易引很远时，长引线还极易引起噪声。起噪声。解决的方法是适当增加印制导线的宽度以减小引线电阻值。准确检测解决的方法是适当增加印制导线的宽度以减小引线电阻值。准确检测远程负载上的电压，建议采用四线制接法，亦称开尔文远程负载上的电压，建议采用四线制接法，亦称开尔文(Kelvin)接法；接法；第五节 低压差线性稳压器的应用技巧及设计要点二、低压差线性稳压器的设计要点二、低压差线性稳压器的设计要点尔文尔文(Kelvin)接法接法 增加两条导线作为增加两条导线作为检测线，直接将负载检测线，直接将负载R。上的电压引到取样电阻上的电压引到取样电阻分

15、压器分压器R1和和R2的两端。的两端。 由于取样电阻的阻由于取样电阻的阻值较大，通过的电流很值较大，通过的电流很小，所形成的压降可忽小，所形成的压降可忽略不计，因此能准确检略不计，因此能准确检测输出电压值。测输出电压值。 尽管原来的引线电尽管原来的引线电阻阻r01和和R02仍与负载仍与负载串联，但串联，但r02未包含在未包含在检测电路中，因此所形检测电路中，因此所形成的压降并不影响检测成的压降并不影响检测精度。精度。 第六节 由脉宽调制器构成的开关电源 无工频变压器开关式直流稳压电源使电源在小型化、轻无工频变压器开关式直流稳压电源使电源在小型化、轻量化、高效率等方面又迈进了一步。量化、高效率等

16、方面又迈进了一步。v开关电源开关电源 ：电源调整管工作在开关状态的电源。电源调整管工作在开关状态的电源。 线性电源中，电源调整管工作在放大状态线性电源中，电源调整管工作在放大状态输入输入电源调整管电源调整管负载负载RL串联稳压电源串联稳压电源输入输入开关管开关管K负载负载 RL储能储能元件元件开关电源开关电源第六节 由脉宽调制器构成的开关电源无工频变压器式无工频变压器式集成开关式电源集成开关式电源脉宽调制式（脉宽调制式（PWM）：）：频率固定频率固定 对占空比调制对占空比调制实际应用中，调宽式使用得较多，目前开发和使用的开关电源集成实际应用中，调宽式使用得较多，目前开发和使用的开关电源集成电路

17、中，绝大多数也为脉宽调制型。电路中，绝大多数也为脉宽调制型。 脉频调制式（脉频调制式（PFM）：）：脉冲宽度固定脉冲宽度固定, 改变频率调节占空比改变频率调节占空比 双端输出：双端输出：推挽、半桥、全桥变换推挽、半桥、全桥变换适合大功率电源（百瓦以上）适合大功率电源（百瓦以上）单端输出：单端输出：反激、正激变换反激、正激变换适合中小功率电源（百瓦以上）适合中小功率电源（百瓦以上）中速型中速型开关频率开关频率=1MHz体积减小体积减小一、脉宽调制的产品分类一、脉宽调制的产品分类第六节 由脉宽调制器构成的开关电源一、脉宽调制的产品分类一、脉宽调制的产品分类无工频变压器开关稳压电源，有如下的无工频变

18、压器开关稳压电源，有如下的优点优点：1.1.效率高。一般在效率高。一般在707080%80%以上。以上。 2.2.体积小、重量轻，频率越高，更显著。体积小、重量轻，频率越高，更显著。 3.3.稳压范围广，一般交流输入稳压范围广，一般交流输入8080265V265V，4.4.噪声低，声频在噪声低，声频在20kHz20kHz以上以上5.5.性能灵活，通过隔离变压器，可得多路输出；性能灵活，通过隔离变压器，可得多路输出； 6.6.电压维持时间长，为了适应交流停电时，计算电压维持时间长，为了适应交流停电时，计算机、现代自动化控制设备电源转换的需要，开机、现代自动化控制设备电源转换的需要，开关电源可在几

19、十毫秒内保证仍有电压输出。关电源可在几十毫秒内保证仍有电压输出。 7.7.可靠性大，当开关损坏时，不会有危及负载的可靠性大，当开关损坏时，不会有危及负载的高电压出现。高电压出现。无工频变压器开关稳压电源的无工频变压器开关稳压电源的不不足之处足之处：1.1.输出纹波较大，约输出纹波较大，约10100mV p-10100mV p-p p值；值； 2.2.PWM电路中，电压电流变化率电路中，电压电流变化率大；大；3.3.控制电路较复杂，对元器件要控制电路较复杂，对元器件要求高；求高； 4.动态响应时间至少要大于一个开动态响应时间至少要大于一个开关周期，不如串联式晶体管线性关周期，不如串联式晶体管线性

20、稳压电源。稳压电源。第六节 由脉宽调制器构成的开关电源二、脉宽调制的产品的基本原理二、脉宽调制的产品的基本原理工作原理：1、220v交流整流成直流2、VT斩波成高频高压交流（受调制）3、高频变压器降压成高频矩形波电压；4、高频整流滤波后获得所需直流电压。稳压过程：1、取样电压与参考电压运算得误差电压2、误差电压与锯齿波比较获得驱动脉冲3、误差电压加大，驱动脉冲占空比加大，否则减小；第六节 由脉宽调制器构成的开关电源二、脉宽调制的产品的基本原理二、脉宽调制的产品的基本原理工作过程图解：第六节 由脉宽调制器构成的开关电源三、由三、由UC3842构成的开关电源构成的开关电源1、UC3842的性能特点

21、1）电流型、单端反激输出式脉宽调制器 适合构成无工频变压器的2050W小功率开关电源，因较少、外围电路简单、性价比高。2）最高开关频率500kHz，频率稳定度0.2%，可直接驱动双极功率管VMOS、DMOS、TMOS3）稳定性好，电压调整率0.01%/V,具有输入过压、输出过流保护及欠压锁定功能。4）最高输入电压30V，最大峰值电流1A，平均工作电流0.2A，正常工作电流15mA，最大功率1W，经开关管后最大输出功率50W。第六节 由脉宽调制器构成的开关电源三、由三、由UC3842构成的开关电源构成的开关电源2、UC3842的内部结构第六节 由脉宽调制器构成的开关电源三、由三、由UC3842构

22、成的开关电源构成的开关电源3、UC3842的工作时序第六节 由脉宽调制器构成的开关电源三、由三、由UC3842构成的开关电源构成的开关电源4、UC3842的典型应用电路电流检测工作电压电压检测振荡电路两级尖峰电压吸收回路防止寄生振荡第六节 由脉宽调制器构成的开关电源三、由三、由UC3842构成的开关电源构成的开关电源(VO-2.5)/Ri = 2.5/Rd + （2.5-VEA）/RfVEA=VO* Rf /Ri (2.5/Rd + 2.5/Ri）Rf -2.5VO 则 VEA基准电压经R给C充电，达到阈值电压时，C经芯片内部放电，形成锯齿振荡波：f=1.8 / (RC)MOS管输出：f可取 2025kHz双极型管输出 f不得超过40kHz振荡电路振荡电路40kHz2.5VVOVEA2.5V第六节 由脉宽调制器构成的开关电源三、由三、由UC3842构成的开关电源构成的开关电源串联栅极电阻Rg将衰减由MOSFET输入电容和栅-源电路中任何串联引线电感所产生的高频寄生振荡第六节 由脉宽调制器构成的开关电源三、由三、由UC3842构成的开关电源构成的开关电源加速电容第六节 由脉宽调制器构成的开关电源三、由三、由UC3842构成的开关电源构成的开关电源开关管的负载 N1 其电感量设为 L Q= IL(t) L UL(t) t=Q IL(t) L = UL(