电源管理之基本硬件知识

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开关电源与线性电源

开关电源(Switch Mode Power Supply,简称SMPS)

顾名思义,开关电源就是利用电子开关器件(如晶体管、场效应管、可控硅闸流管等),通过控制电路,使电子开关器件不停地“接通”和“关断”,让电子开关器件对输入电压进行脉冲调制,从而实现DC/AC、DC/DC电压变换,以及输出电压可调和自动稳压。

线性电源(Linear power supply)

线性电源主回路的工作过程是输入电源先经预稳压电路进行初步交流稳压后,通过主工作变压器隔离整流变换成直流电源,再经过控制电路和单片微处理控制器的智能控制下对线性调整元件进行精细调节,使之输出高精度的直流电压源。

线性电源和开关电源的区别:

1、开关电源是直流电转变为高频脉冲电流,将电能储存到电感、电容元件中,利用电感、电容的特性将电能按预定的要求释放出来来改变输出电压或电流的。

2、线性电源没有高频脉冲和储存元件,它利用元器件线性特性在负载变化时瞬间反馈控制输入达到稳定电压和电流的。

3、开关电源可以降压,也可以升压;线性电源只能降压。

4、开关电源效率高;线性电源效率低。

5、线性电源控制速度快,波纹小;开关电源波纹大。

DC-DC与LDO

DC-DC,属于开关(型直流稳压)电源

是指在直流电路中将一个电压值的电能变为另一个电压值的电能的装置。具有高效率、高输出电流、低静态电流等特点,随着集成度的提高,许多新型DC-DC 转换器的外围电路仅需电感和滤波电容。但该类电源控制器的输出纹波和开关噪声较大、成本相对较高。

简单介绍两种DC/DC转换器:

升压斩波(Boost)电路

罗姆 ROHM 电源管理

 

 

a、V通时,E向L充电,充电电流恒为Ii,同时C向负载供电,因为C值很大,所以输出电压恒为Uo,设V通的时间为Ton,此阶段L上积蓄的能量位为EIiTon。
b、V断时,E和L共同向C充电并向负载R供电,设V断的时间位Toff,则此阶段电感L释放的能量为(Uo - E)IiToff。
c、如果达到稳态,一个周期T中,在L中积蓄的能量和释放的能量应该相等,则

EIiTon = (Uo - E)IiToff

Uo - E = ETon / Toff

Uo = E(1 + Ton / Toff)

Uo = E(Ton + Toff)/ Toff = E(T / Toff)

d、因为(T / Toff)大于等于1,所以此电路的输出电压高于电源电压,故称该电路为升压斩波(Boost)电路。
e、(T / Toff)称为升压比,调节其大小可以改变Uo大小。

降压斩波(Buck)电路

 

 

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V通时,电感L被充能,流经L的电流线性增加,同时给电容C充电以及负载R提供能量。

V断时,储能电感L通过续流二极管放电,电感电流线性减少,负载R主要靠滤波电容和放电和减小的电感电流提供能量。

LDO即low dropout regulator,属于线性电源

是一种低压差线性稳压器。低压差线性稳压器的突出优点是具有最低的成本,最低的噪声和最低的静态电流。它的外围器件也很少,通常只有一两个旁路电容。

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该电路由串联调整管VT、取样电阻R1和R2、比较放大器A组成。取样电压加在比较器A的同相输入端,与加在反相输入端的基准电压Uref相比较。两者的差值经放大器A放大后,控制串联调整管的压降,从而稳定输出电压。

当输出电压Uout降低时,基准电压与取样电压的差值增加,比较放大器输出的驱动电流增加,串联调整管压降减小,从而使输出电压升高。相反,若输出电压Uout超过所需要的设定值,比较放大器输出的前驱动电流减小,从而使输出电压降低。供电过程中,输出电压校正连续进行,调整时间只受比较放大器和输出晶体管回路反应速度的限制。

实际的线性稳压器还具有许多其它的功能,比如负载短路保护、过压关断、过热关断、反接保护等,而且串联调整管也可以采用MOSFET。

纹波(ripple)

纹波电压,是指输出直流电压中含有的工频交流成分。

开关电源纹波的产生

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上图是开关电源中最简单的拓扑结构-buck降压型电源。

随着SWITCH的开关,电感L中的电流也是在输出电流的有效值上下波动的。所以在输出端也会出现一个与SWITCH同频率的纹波,一般所说的纹波就是指这个。它与输出电容的容量和ESR有关系。这个纹波的频率与开关电源相同,为几十到几百KHz。

另外,SWITCH一般选用双极性晶体管或者MOSFET,不管是哪种,在其导通和截止的时候,都会有一个上升时间和下降时间。这时候在电路中就会出现一个与SWITCH上升下降时间的频率相同或者奇数倍频的噪声,一般为几十MHz。同样二极管D在反向恢复瞬间,其等效电路为电阻电容和电感的串联,会引起谐振,产生的噪声频率也为几十MHz。这两种噪声一般叫做高频噪声,幅值通常要比纹波大得多。

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