电源设计全面知识:架构介绍、LDO与DCDC、设计实例分析

来源: 电路一点通
微信公众号资讯
注意其实除了时序设计,其中的功耗设计等都是需要注意的。LDO 的结构是一个微型的片上系统,它由电流主通道的、具有极低在线导通电阻 RDS(ON) 的MOSFET、肖特基二极管、取样电阻、分压电阻、过流保护、过温保护、精密基准源、差分放大器、延迟器、POK MOSFET等专用晶体管电路在一个芯片上集成而成的。LDO 的工作原理是通过负反馈调整输出电流使输出电压保持不变。即 Voltage Contr

电源架构介绍部分

一、单板电源架构介绍-集中式与分布式

1.1集中式

在下图中,左边为 集中式 ,直接所有电源都通过 48V 独立转换出来。
缺点:每个需要的电源都要采用一个 DCDC 模块,成本比较高,PCB面积也大,在高速板的设计中不采用集中式。

1.2分布式

在下图中,右边为 分布式 ,采用两级转换。
第一级隔离模块
  1. 描述:提供输入电源到单板 中间电源 的转化,转出来有少部分可以供电直接用。
  2. 功能:提供中间电源和单板隔离的作用,因此允许较大的纹波和噪声。
第二级非隔离芯片 :采用非隔离式的如DCDC、LDO转化成最终使用电平。其中中间电源也不止一个值。

1.3比较

分布式相比较集中式,只需要一个隔离模块,可以有效的节约成本和 PCB 面积,但是效率比一级转换效率要低一点点。
图片

二、单板电源介绍

2.1单板电源转换示意图(分布式)

图片

2.2上电时序严格要求

图片
注意其实除了时序设计,其中的功耗设计等都是需要注意的。

2.3具体实现上电时序的办法

2.3.1软启动
(1)描述
SS脚的软启动,进行延时启动。软启动为同时使能芯片,但是是通过调整 SS 脚外部的 自举电容 来控制启动时间。容值越大斜率越小,启动越慢。
(2)缺点
  1. 对温湿度敏感
  2. 在左边图形中,要求 V1 达到稳定电压后一段时间,V2 才上升到稳定电压。但是通过电容大小的这种控制方法,很有可能存在 V1 还没有稳定时,或者刚到稳定时,V2 的电压就已经起来到中间某电压了(虽然可能不是到达稳定值),这中间的某电压也可能导致 V2 供电的部分模块已经开始工作、输出了。
    因为电容只那能控制上升的斜率。
2.3.2硬启动
硬启动为 控制使能脚 从而控制芯片的工作与否,硬启动需要控制信号,延时时间较为固定。
在下图右边的例子中可以将 V1 上电完成后,某输出作为 V2 的分时使能芯片(EN 脚)。
这就避免了上面软启动的缺点。

图片

LDO介绍部分

一、LDO简介

1.1工作原理

LDO 的结构是一个微型的片上系统,它由电流主通道的、具有极低在线导通电阻 RDS(ON) 的MOSFET、肖特基二极管、取样电阻、分压电阻、过流保护、过温保护、精密基准源、差分放大器、延迟器、POK MOSFET  等专用晶体管电路在一个芯片上集成而成的。
LDO 的工作原理是通过负反馈调整输出电流使输出电压保持不变。
即 Voltage Control 获取 Vref  的电压跟内部参考电压比较,根据比较结果控制电流源,即调整 RDS 的大小。
LDO 是一个步降型的 DC/DC 转换器因此 Vin >Vout。

1.2 LDO的构成

在下图的结构中,电容 图片 是为了给输入的基准电压信号提供 交流 信号部分泄放回路。
这个过程也叫:过滤、耦合。
图片

1.3 LDO的符号

图片
常用的 LDO 中,以3、4、5  Pin为多。
封装则种类繁多,从一毫米平方的大小,到 TO-220 封装都有,主要取决于 LDO 的输出功率及器件本身的功耗。

1.4 LDO Pin 脚及相关功能

  • INPUT        电源输入端
  • OUTPUT    电源输出端
  • GND           接地端
  • EN              使能端,以开关LDO
  • BP              旁路电容端。以降低噪声,提高 LDO 的 PSRR
  • FP               ADJ LDO反馈取样端

1.5 LDO常用参数简介

(1) 图片 :Input Voltage
(2) 图片 :Output Voltage
(3)Output Voltage Accuracy
(4) 图片 :Maximum Output Current
(5) 图片 :Current Limit
(6) 图片 :Ground Pin Current
(7) 图片 :Dropout Voltage 电压差,压差越大效率越小。
(8) 图片 :Line Regulation
(9) 图片 :Load Regulation
(10) 图片 :Output Voltage Noise
(11)PSRR:Power Supply Rejection Ratio
(12) 图片 :Shutdown Supply Current

二、LDO应用相关

2.1周边器件的选择

  1. 周边器件有: 图片 图片 图片 图片 图片
  2. 电容的选择:数值大小影响做噪和响应速度 ,ESR(电容串联等效电阻,越小纹波越小) 影响电源系统的稳定性
  3. 电阻的选择:数值大小影响输出电压的准确性
图片

2.2布线对性能的影响

下图原理图中虚线是电流的回流路径。在布线中要注意一下几点:
(1)一点接地
在原理图(上)中,电容分别接地,还经过了电阻,滤波效果不是最佳;
在原理图(下)中,电容全部直接一点接入地下,滤波效果最佳。
这就是单点接地,教育完成了闭环。
(2)去耦支路,尽可能短。
前后两头都尽量的短。从芯片出来尽量短,回流到地也尽量短。