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        2. 在PCB中使用線性穩壓器與開關穩壓器

          穩壓IC

           

          正如我們所希望的那樣,我們為電子設備提供的電力并不總是穩定的。實際電源包含噪聲,它們可能表現出電源不穩定,或者意外掉線。值得慶幸的是,我們有電源調節器來幫助防止其中一些問題。

           

          對于低功耗器件,我們通??吹絻煞N類型的功率穩壓器:線性穩壓器(有時稱為低壓差穩壓器或LDO)或開關穩壓器。您可以在電源總線的不同點混合和匹配這些功能,但仍需選擇在設計中使用LDO還是開關穩壓器。

           

          如果您曾經想知道這些決定是如何做出的,以及何時使用每種類型的穩壓器,只需知道這個決定不僅僅是簡單地查看輸入/輸出電壓/電流。繼續閱讀以了解有關為您的低功耗設計選擇線性穩壓器與開關穩壓器的更多信息。由于我們在此博客中對PCB布局感興趣,因此我將簡要討論布局中需要發生什么以支持LDO或開關穩壓器。

           

           

          線性穩壓器與開關穩壓器比較

          在使用這些類型的電源IC穩壓器進行元件排列和布局之前,最好先提醒一下這些電路的工作原理。LDO是一種降壓型線性DC-DC電壓轉換器,因此與降壓轉換器相比,它是最好的選擇。還有電阻式線性穩壓器,或者使用晶體管的串聯和并聯穩壓器,但我暫時不考慮這些,因為它們不常用于PCB的電源總線。

           

          低壓差穩壓器(LDO)

          LDO是一種基于運算放大器的線性穩壓器。該電路的工作原理是比較反饋環路內的穩壓器輸出和基準電壓(硅帶隙基準電壓源,輸出電壓約為1.25 V)?;就負淙缦滤?。請注意,此圖中使用了NPN晶體管,但您通常會在實際電路中找到MOSFET。

          LDO電路圖

          LDO電路圖

           

          LDO中的凈空

          LDO具有一些“裕量”,也稱為壓差電壓,這是一個高于標稱輸出的小電壓,用于決定元件是否導通。只要V(in) - V(out)>裕量,那么元件就會給出標稱輸出電壓。分壓器用于降低輸入電壓,以便運算放大器可以將其與基準電壓(V-Ref)進行比較。除非您使用分立元件構建LDO,否則您無需擔心設置運算放大器電路和選擇R1/R2。這些都集成到組件中。

           

          最后,C1和C2是濾波電容器,分別清理輸入和輸出上的電壓。這些值不會影響裕量,盡管它們有助于抑制輸入和輸出上的噪聲。運算放大器將穩壓器的輸出設置為所需的電平,只要輸入電壓高于穩壓器的裕量。

           

           

          降壓轉換器

          如上所述,與降壓轉換器相比,LDO是最好的選擇,因為它們都是降壓元件。任何開關轉換器的目標都很簡單:通過使用開關元件調制輸送到負載的電流和電壓,產生穩定且可調的輸出電壓。這通常是由PWM信號驅動的功率MOSFET,盡管像諧振LLC轉換器這樣更大的穩壓器可以并聯使用多個MOSFET來提供高電流輸出。在任何情況下,所有降壓穩壓器都將抑制輸入電壓的低頻變化,但由于MOSFET的開關動作,輸出將產生一些高頻噪聲,這在仿真中可以清楚地看到。

           

          比較

          那么,您何時應該使用這些調節器呢?它們在清理噪聲時都將直流電壓降低到一個有用的水平,那么它們不應該是可互換的嗎?實際上,它們有時是可互換的,但這取決于您需要的功率水平和電源的特性。下表總結了每種類型的這些電路的一些不同方面及其優點。

            斷續器 降壓轉換器
          復雜性 可作為單個集成組件提供 通常提供集成開關,但需要外部電感器
          穩定性和控制 反饋集成在器件中 這些通常包括一個反饋引腳,用于測量和調整輸出電壓和/或電流
          噪聲特性 高度不受低電平噪聲的影響,只要輸入電壓始終高于裕量 輸出噪聲由紋波和開關噪聲組成。
          PSRR 高,通常約為 -60 dB 隨電感尺寸而變化,在具有足夠濾波的情況下可小于1%
          效率 當輸入高于壓差電壓時,輸入更低 始終保持高電平 (~95%),只要在連續模式下運行
          輸入類型 當輸入電壓預期會隨時間推移而降低時,最好使用 當輸入電壓預計會隨時間隨機變化時,最好使用,但這需要一個具有PWM調節的反饋環路

           

          1. LDO是開關穩壓器的低噪聲替代品。它們更易于布局,并且往往成本更低。
          2. LDO有時用于開關穩壓器的下游,以進一步將電壓降至低電平。事實上,一些開關穩壓器元件在輸出端包括一個LDO。
          3. 開關穩壓器可以提供非常精確的電壓控制,只需要調整PWM驅動頻率。在LDO中,控制是被動的。

           

          用于LDO和開關穩壓器的PCB布局

          這是一個相當深入的主題,因為PCB布局部分可以關注穩壓器電路,電源總線和下游負載。我更愿意遵循兩個準則:

          1. 注意支持所需電流所需的走線寬度,保持低IR壓降,并將溫度保持在安全范圍內。在高電流下工作時,不要害怕使用多邊形澆注。
          2. 保持小環路電感。這意味著要使元件彼此靠近,并跟蹤PCB中的返回路徑,以確保您不會產生EMI問題。


          下圖應該說明我的意思。此布局適用于工作頻率為3MHz的開關穩壓器。您會注意到,關鍵部分,即由L2和過濾器帽創建的環路,具有返回附近地面傾倒的緊密圓形回流路徑。這有助于確保低輻射EMI發射和接收。同樣的原則也適用于LDO,盡管在這種情況下,我們更擔心EMI的接收,因為沒有開關。

          開關穩壓器的PCB布局

          開關穩壓器的PCB布局示例。這些原則也適用于LDO


          您經常會在LDO或開關轉換器的應用說明中看到布局示例。小心這些;它們可能適合處理電流,但其布局中可能潛伏著EMI問題。應用筆記中的這些EMI問題通常源于返回路徑定義不明確或未能創建具有低環路電感的緊湊布局。

           

           

           

           

           

           

           

           

           

           

           

           

           

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          創建時間:2022-04-27 16:08
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