線性穩壓器入門基礎

老wu接觸過的最簡單的電路,就是小時候從手電筒里拆出一節555干電池,用電線將從手電筒里擰下來的小燈與電池連接起來,再加上一個小開關,就能玩整整一個晚上。

后來,上了專業課,學到了電源轉換單路,比如上邊的直接用干電池給小燈供電有個弊端,隨著電池的放電,電池兩端的電壓逐步降低,小燈的亮光也會變得越來越弱,而如果給電池與小燈之間加一個升壓轉換電路,就可以讓小燈的亮度恒定,用戶體驗也會更好,而且IC的轉換電壓可以低到0.9V,可以最大的壓榨電池的剩余電量,手電用剩的電池還可以給四驅車用, emmm…好像說反了 ??

當然,只是讓手電能夠保持恒定的亮度或者盡量壓榨電池的可用電量,這只是電源轉換電路的一個小case而已,現在的電子產品對電源的要求也是越來復雜,比如下邊這張圖,排插上的220V交流市電經過AC/DC電源適配器轉換成直流電源輸入到MacBook和IPhone中,然后MacBook和IPhone里又有若干的PMU、單獨的DC/DC轉換IC或者LDO轉換IC進一步進行電源的調整,比如液晶顯示屏背光的升壓,USB外圍的5V、CPU核心的3.3V、內存的1.2V等等,整個系統電壓等級非常復雜,為了管理復雜系統里的不同電源軌,系統硬件工程師的第一步就是要了解系統的電源需求,然后設計相應的系統電源樹,以優化電源管理系統的效率、尺寸和BOM成本。

老wu接觸的第一個電源轉換電路就是穩壓器電路了,就是在電源與負載之間反向并一個穩壓二極管,形如下邊這個樣子:

電路雖然簡單易于實現,但轉換效率卻不高,如上邊的原理圖所示,穩壓二極管處于反向偏置連接,當施加的電壓高于其反向擊穿電壓時,穩壓二極管導通電流而使其反向擊穿電壓能夠維持相對恒定,Vin和Vout之間的電壓差由Rs來平衡掉。這里的Rs最小值是由最低輸入電壓和最大負載電流決定的,同時Rs又必須足夠大,這樣才能夠限制流入穩壓管中的最大電流(這個最大電流發生在輸入電壓最大且負載電流最小時)。如下邊的公式所示:

由于電阻和穩壓二極管的損耗比較大,這種電源轉換電路效率并不高,在很多追求高轉換效率的小功率應用場景并不適用,同時由于穩壓二極管的參數容差,其輸出電壓精度不夠理想。

如果將穩壓二極管電路稍作改進,將電路里恒定的Rs變成一個可變,受控的串聯阻抗來調節電流,并且不讓電流流入穩壓二極管以減少其損耗,這就變成了線性穩壓器。

老wu很喜歡用線性穩壓器,因為它相對于DC/DC轉換器來說,電路簡單,相對價格便宜,外圍器件更少,比如下邊這顆爛大街的1117電路。

雖然線性穩壓器看起來原理簡單,layout也不復雜,但想要玩轉線性穩壓器,你還得考慮一些因素,比如:

  • 輸入電壓范圍
  • 最小輸入和輸出電容
  • 電源抑制比
  • 輸出噪聲
  • 接地(靜態)電流
  • 關斷電流
  • 輸出電壓精度
  • 線路調整率
  • 動態負載調整率
  • 壓差

以上這些參數指標應該怎么理解?

老wu這里推薦ADI的一篇文章《在系統中成功運用低壓差穩壓器》,講述LDO相關參數的作用。

老wu之前博文里分享過的:

《理解線性穩壓器及其主要性能參數》文章鏈接:

http://www.qjhrpq.tw/understanding-ldos/

《理解低壓差穩壓器 (LDO) 實現系統優化設計》文章鏈接:

http://www.qjhrpq.tw/understand-ldo-concepts-to-achieve-optimal-designs/

《LDO電容選型指南》文章鏈接:

http://www.qjhrpq.tw/choosing-and-using-capacitors-in-ldo/

以上都是一些不錯的補充。

要深入理解LDO的原理的話,老wu推薦看《新概念模擬電路5-源電路 信號源和電源》這本書的第6.4章節有不錯的講解。

TI的《線性穩壓器基礎知識》可以帶你全面深入理解線性穩壓器的原理。

以上資料老wu都放到網盤里了,大家按照文末給出的下載方式可以獲得下載鏈接。

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2 條評論

  • eastcarl

    2019年12月3日

    Rmax Rmin那個公式寫反了吧

    • xfire

      2019年12月4日

      仔細看了下 還真沒有寫錯哦 ??

神評一下

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