零基础入门PCB设计一实践项目篇第二章（开发板电源设计）-优快云博客

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1、LDO、DCDC实现原理

（1）电源稳压器（Power Regulator）是一种在电源电压或者负载电流发生变化的时候，依然能够提供稳定输出电压的元件。

（2）LDO（Low Dropout Regulator，低压差线性稳压器）的实现原理：

①LDO芯片的内部结构可拆分为如下四部分：

[1] 误差放大器是一种集成运算放大器，其输入端口有同相和反相两个输入端，实现的功能为 $V_{OUT}=\beta \left ( V_{+}-V_{-} \right )$ ，其中β为放大系数。

[2] 调整管是一个PNP型的三极管，在这里可以把它类比成一个简单的可变电阻，电阻的阻值与基级电压呈正相关。

[3] 电压基准电路由一个电流源和一个稳压管组成，主要用于为放大器提供基准电压。

[4] 采样电路负责对输出电压采样，用于输入误差放大器，与基准电压做比较。

②将上述的四部分电路组合，即可得到LDO芯片的原理图。

[1] 当输出电压VOUT高于期望值时，采样电路采集到的电压V+会偏高，与基准电压比较，经过误差放大器后，其输出电压也会相应地偏高，即调整管的基级电压偏高，那么其等效电阻也会增加，根据基尔霍夫电压定理，VIN被调整管分走的电压变多了，以此负反馈调节VOUT，将其稳定在期望值附近。

[2] 当输出电压VOUT低于期望值时，采样电路采集到的电压V+会偏低，与基准电压比较，经过误差放大器后，其输出电压也会相应地偏低，即调整管的基级电压偏低，那么其等效电阻也会减小，根据基尔霍夫电压定理，VIN被调整管分走的电压变少了，以此负反馈调节VOUT，将其稳定在期望值附近。

③LDO的优势：LDO外围器件少，电路简单，成本低，通常只需要一两个旁路电容；LDO负载响应快，输出纹波小，噪声小。

④LDO的劣势：LDO效率低，输入输出压差不能太大，否则开发板会放烟花；LDO只能实现降压；LDO输出电流有限，最高可能就只有几A。

（3）DC/DC转换器一种是开关电源稳压器，指利用电容、电感的储能的特性，通过可控开关（MOSFET等）进行高频开关的动作，将输入的电能储存在电容（感）里，当开关断开时，电能再释放给负载，提供能量。

①以降压为目的DCDC电源电路称为BUCK电路。

[1] BUCK电路中，开关管用于控制电路导通或断路，它一般由电源芯片控制，通过高频地开与关，可以输出一定频率的PWM波，以此获取期望电压，不过这个PWM波是不稳定的，需要后续电路将其变为一个稳定的直流电。

[2] BUCK电路中的电容同时起到了滤波和储能的作用，不过开关管开关瞬间电容两端的电压几乎是突变，根据电容的电流计算公式，对电压做一个求导，会发现电流几乎无穷大，这显然是不友好的，为了抑制电流的突变，BUCK电路中便引入了电感。

[3] 开关管导通时，直流电源给电容（感）充电（这个充电时间很短，电容电压往往达不到开关管输出侧的电压水平，如下图蓝线所示），二极管此时不导通；开关管断开时，由于电感的电流不突变，它有一个续流的作用，于是电感处继续保持一个从左向右（上图）的电流，而二极管正好为电感提供了一个续流路径，先前电容中也有电能储存，所以电路还能继续运行，电容（感）可以放电继续为后面的电路供能（这个放电时间不会很长，很快开关管便会导通）。

②以升压为目的的DCDC电源电路称为BOOST电路。

[1] BOOST电路中，开关管用于控制电路导通或断路，它一般由电源芯片控制，通过高频地开与关，可以输出一定频率的PWM波，以此获取期望电压，不过这个PWM波是不稳定的，需要后续电路将其变为一个稳定的直流电。

[2] 电源刚启动时，如果开关管导通，电源为电感充电，后续电路暂时没有电能供给。

[3] 当电感中有能量储存时，开关管从导通切换为关断，由于电感的电流不突变，它有一个续流的作用，于是电感处继续保持一个从左向右（上图）的电流，此时电感在释放能量，可以将其视作一个电压源，根据基尔霍夫电压定律，二极管阴极侧的电压便会高于电压源（指实际），电路起到一个升压的作用，同时电容也会充电。

[4] 假定电容中有能量储存，当开关管从关断切换为导通，电感充电，而电容则是放电，此时二极管不导通，电容放电产生的电压全部输出到后面的电路。

③DCDC的优势：DCDC效率高（通过能量周期性地积蓄及释放稳压），输入电压范围宽泛；DCDC支持降压和升压；DCDC输出电流高，功率大。

④DCDC的劣势：DCDC外围器件多，电路复杂，成本高；DCDC负载响应比LDO慢，输出纹波大，噪声大。

2、基准电压源

（1）基准电压源是一种能提供稳定、精确、不随温度、负载、电源电压变化而波动的电压源。它广泛应用于电子电路中，尤其是在需要高精度和稳定性的场合，如模数转换（ADC）、数模转换（DAC）、稳压电路、传感器电路等。

（2）TL431是比较经典的基准电压源芯片，其内部的原理简化图如下左图所示（实际原理图会复杂得多），它在电路中的符号与稳压二极管类似，阴极和阳极在符号上的定义是一致的，而TL431在旁侧会多一个参考电压的引脚。

（3）基准电压源芯片中也有集成运算放大器，其反相端与阳极之间连接了一个提供电压基准的电路，对于TL431而言，其数据手册指出会提供一个2.5V的电压，放大器将此电压与外界输入的参考电压VREF做比较。

（4）TL431的应用电路如下右图所示，参考引脚和阴极相接，并串接一个电阻与电源输入端相连。初始状态，可认为输入电压等于VREF，当VREF大于电压基准时，三极管基级电压为高电平，三极管导通，阴极与阳极短路，VREF受GND影响将会下降；当VREF小于电压基准时，三极管基级电压为低电平，三极管关断，VREF受输入电压影响将会上升；以此往复，最终VREF会在电压基准附近小幅度反复横跳，趋于稳定，不过这个过程完全由模拟电路实现，所以稳定下来是非常快的。