硬件设计分享(二)电源电路

目录

01 知识总结

DC-DC与LDO的优缺点

电源模块选择

02 低压差线性稳压器电源电路

LDO(低压差线性稳压器)

双极型(BJT)

CMOS型

LDO选型参数

LDO优点

LDO缺点

LDO硬件原理图和PCB注意事项

03 DC-DC电源电路

DC-DC(直流-直流变换器)

DC-DC原理知识

DC-DC优点

DC-DC缺点

DC-DC选型参数

DC-DC(MP2359)的典型电路

04 文章总结


大家好,这里是程序员杰克。一名平平无奇的嵌入式软件工程师。

之前在研究硬件原理图以及PCB设计(画板子)。本次推送作为硬件设计合集的第二篇,涉及的内容为板卡电源部分(集成电源芯片)的设计总结。


下面正式进入本章推送的内容。

01 知识总结

LDO(低压差线性稳压器)、DC-DC(直流-直流变换器)是做板卡电源设计的时候最常用的电源芯片,两者各有其明显的优缺点。

DC-DC与LDO的优缺点

类型

优点

缺点

LDO

  1. 稳定性好,负载响应快,输出纹波小,静态电流小,噪声小;

  2. 成本低,外围电路少,体积小

  1. 转换效率低,输入输出压差损耗会以热能的方式消耗(发热);

  2. 输出电流小(最大5A),输出功率不大;

  3. 仅仅适用降压场合;

DC-DC

  1. 功耗低,效率高,输入电压范围较宽;

  2. 输入输出可隔离;

  3. 可升压,降压,反相;

  4. 输出电流范围大;

  1.  输出纹波和开关噪声较大;

  2. 输入输出存在较大的时延;

  3. 外围电路复杂,成本相对较高;

电源模块选择

升压一定是DC-DC电源模块。降压选择DC-DC还是LDO,要从成本、效率、噪声、性能上比较进行选择;

参考角度

说明

效率
 

输入电压和输出电压很接近,选择LDO(压降大时损耗功率大[发热严重]);

输入电压和输出电压的压降大、效率高,选择DC-DC;

成本

LDO芯片价格便宜,外围电路简单,可选择LDO;

DC-DC芯片比LDO贵很多,外围电路复杂;

功率

设计要求输入、输出电压以及电流大,选择DC-DC;

纹波&噪声

设计比较敏感的模拟电路时,可以为保证电源的纯净去牺牲效率选择LDO;

DC-DC因开关频率的原因,电源噪声远比LDO大;

总结来说:

  1.  效率高[发热少,输出电流>输入电流]、输出电流大、压差较大、成本允许下,选择DC-DC;

  2. 压差很小、对噪声、纹波较为敏感的电路[射频等],选择LDO;

  3. 成本不允许、效率要求不高[接受发热],选择LDO;


02 低压差线性稳压器电源电路

LDO(低压差线性稳压器)

1. 仅仅用作降压;

2. 输入电压/负载电流变化时,LDO仍可保持稳定的电压输出;

3. 根据采用晶体管类型的不同,可分为双极型和CMOS型;


双极型(BJT)

    PNP和NPN,支持高输入电压,拥有更好的瞬态响应,但压降高;

    内部电路(LM317DCYR为例):

图片

CMOS型

P-MOSFET和N-MOSFET,支持非常低的压降、低静态电流、改善噪声性能和低电源抑制;

内部电路(TPRT9069-33GB为例):

图片

工作原理:

        总结来说:LDO内部参考电压、R2对Uout的分压经比较放大器,输出放大的压差作为晶体管的输入,不同的压差对晶体管的导通不同,从而产生对应的导通压降,进而实现输出电压Uout的稳定调整;LDO的基本电路如下图所示,该电路由反馈模块、误差放大模块、调整模块组成;

图片

反馈模块:

    由调节采样电阻R1和R2组成;采集R2在Vout上分的电压作为比较器的反相输入;

误差放大模块:

    由比较放大器组成;输入电压Uin经过稳压作为参考电源Vref(Vref由LDO内部确定)加在比较器的同相输入端,跟R2分压的反相输入端的电压进行比较,差值经过放大后输出,控制串联调整管VT的压降,稳定输出电压;

调整模块:

    由串联调整管VT(晶体管)组成;比较器的放大电压作为调整管VT的输入,使MOS管调整自身的导通压降,从而实现对输出电压Uout进行调整(晶体管工作在线性区);


LDO选型参数

  1. 输出电压(output voltage):

    首先考虑的是输出电压的范围,确定是否符合设计需求;

  2. 线性调整率(line regulation):

    越小,说明输入电压变化对输出电压影响越小,LDO性能越好。一般要求电压调整率不超过±0.1%

  3. 负载调整率(load regulation):

    越小,说明LDO抑制负载干扰的能力越强。通常的指标为3%--5%

  4. 最大输出电流(Maximum Output Current):

    输出电流一般很小;最大电流越大,功率越高(损耗功率高,发热);

    选型时要考虑到负载电流的问题,建议保留30%的余量;

  5. 输入输出电压差(Dropout Voltage):

    保证输出电压稳定的条件下,压差越低,性能越好。

  6. 电源抑制比(PSRR):

    LDO的输入源往往有许多干扰信号存在,PSRR反映了LDO对于干扰的抑制能力。


LDO优点

  1. 稳定性好,负载响应快,输出纹波小,静态电流小,噪声小;

  2. 成本低,外围电路少,体积小;

LDO缺点

  1. 转换效率低,输入输出压差损耗会以热能的方式消耗(发热);

    由于P输入 = P损耗 + P输出,U1为输入,U2为输出,并且输入和输出电流I相同,因此:

    U1 * i = U2 * i + P损耗;

    P损耗 = (U1-U2)* I;

    因此,当压差(U1-U2)越大,损耗的功率就越大;

  2. 输出电流小,输出功率不大;

LDO硬件原理图和PCB注意事项

  1. 由于LDO电路较DC-DC电源芯片电路较简单,只要参考datasheet的Typical Application小节,然后按照自己的需求加入一些滤波、防灌电流等措施即可(附上实际设计原理图);

  2. 按照实际设计的板卡,修改调节电阻的阻值,去调节实际的电压(理论跟实际会有出入,需要实板调试)即可。

    图片


03 DC-DC电源电路

DC-DC(直流-直流变换器)

  1. 可用于升压(boost)、降压(buck)、升压/降压(boost-buck)、反相;

  2. 一般为拓扑结构,外围电路相对LDO较复杂;


DC-DC原理知识

  1. DC-DC电源三大拓扑结构:BUCK型(降压),BOOST型(升压),BUCK-BOOST型(此处不细讲拓扑结构,若有需要后续会推送模电相关知识点);

  2. DC-DC实质:通过内部的高速开关、高频率的导通和关断来控制占空比比例,实现直流电源的电压转换;

  3. 开关模式:常见的有PWM(脉宽调制)和PFM(脉频调制)以及前两者混合调制;


DC-DC优点

  1. 功耗低,效率高,输入电压范围较宽;

  2. 输入输出可隔离;

  3. 转换效率高,输入输出压差大,带负载能力强;

  4. 可实现Boost升压;

  5. 瞬态反应快;


DC-DC缺点

  1. 输出纹波以及开关噪声较大;

  2. 输入输出存在较大延时(储能元件的充电);

  3. 外围电路复杂(对比LDO电路),成本相对较高,占PCB面积大;


DC-DC选型参数

参数描述
Vin/Vout输入/输出电压。按照实际电路的要求,选用满足输入端、输出端的电压在芯片的规格范围内;
Iout最大输出电流。设计时要计算负载端的最大电流,并且要保留一定的余量;
Vpk纹波,用于衡量电路的输出电压波动的重要参数。轻载和重载时的纹波,一般是轻载纹波大,注意轻载纹波实测是否满足设计要求;
Efficiency转换效率。轻载影响待机功率,重载影响温升;一般的芯片转换效率都能达到很高;
fsw开关频率。频率高的开关损耗会增加,PCB设计时需要注意散热;并且开关频率会关系到电感电容的选用,具体按照Datasheet的说明进行参考设计;
Line/Load regulation线性稳定度反映了输入电压变化时对输出电压的影响;负载稳定度反映了输出电压变化时对输入电压的影响;一般要求1%,最大不超过3%;
保护性能

过流保护OCP、过热保护OTP,并且能自恢复。

封装DC-DC电源模块外围电路一般较复杂(对比LDO),尽量选择标准封装;并且功率一定下,选择体积小的(PCB板面积问题);

DC-DC(MP2359)的典型电路

图片


04 文章总结

总的来说,选择LDO还是DC-DC主要还是看应用,选择输入/输出电压、最大电流等相关选型参数,一般的Datasheet都有Typical Application Circuits,设计时可参考该典型电路连接。若有EMC等其他要求,按照实际电路添加对应的元器件便可。

了解再多知识也只是“空中阁楼”,硬件最最最重要的还是实际去设计应用,在实际应用中去进行实践验证,并将所遇到的问题解决,才能算是学到了。

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