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电源IC选择指南 电源引用类 2008-08-19 13:50:48 阅读143 评论0 字号：大中小 订阅 转载自：http://blog.ednchina.com/rachelling/139457/Message.aspx 电源是电子产品中一个组成部分，为了使电路性能稳定，往往还需要稳定电源。便携式电子产品采用电池供电，如何使稳压电源部分性能满足电路的要求、耗电省（能延长电池的寿命）、安全性好、占空间小、重量轻是设计便携式电子产品中一个重要任务。 ----近年来，各种便携式电子产品发展迅猛，特别是手持式计算机、移动通信装置、视频或音频产品、照相机、医疗仪器及测试仪器等发展更为神速，因此各半导体器件厂纷纷开发出各种适合便携式电子产品要求的新型电源IC，并给出各种典型应用电路，使电源设计工作变得较为简单，即电源设计工作是根据产品的要求来选择合适的电源IC。为了合理地选择电源IC，首先要了解各种电源IC及其特点。 电源的分类及特点 ----根据不同的工作原理可将电源分成三类：线性稳压电源、开关稳压电源及电荷泵电源。它们各自都有一定的特点及适用范围，这里分别作一简介。 线性稳压电源 ----线性稳压电源是因其内部调整管工作在线性范围而得名。一般认为线性稳压电源的输入电压与输出电压之间的电压差（一般称为压差）大，调整管上的损耗大，效率低。但近年来开发出各种低压差（LDO）的新型线性稳压器IC，一般可达到达输出100mA电流时，其压差在100mV左右的水平（甚至于到70-80mv的水平），某些小电流的低压差线性稳压器其压差仅几十毫伏。这样，调整管的损耗较小，效率也有较大的提高，因此可延长电池的寿命。另外，线性稳压电源外围元件最少、输出噪声最小、静态电流最小，价格也便宜。 开关稳压电源 ----在便携式电子产品中，开关稳压电源主要指DC/DC变换器。由于器件中有一个工作在开关状态的晶体管（一般是MOSFET），故称为开关电源。开关管工作于饱和导通及截止两种状态，所以开关管管耗小并且与输入电压大小无关，效率较高（一般可达80～95%）。 ----DC/DC变换器IC可以组成升压式（Vout>Vin）、降压式（Vout）及电压反转式（vout=-vin），所以这一类电源ic在应用上较为灵活。在便携式电子产品中应用最广的是升压式dc />----大多数便携式电子产品的工作电流在300mA以下，所以很少用到降压式DC/DC变换器。降压式主要用于工作电流大于1A以上的场合，如笔记本式计算机等。
----电压反转式DC/DC变换器的特点是可以获得负电压，并且可获得大于输入电压的负压，即|-VOUT| >VIN。用电压反转器IC组成的负电压可输出较大的电流。便携式电子产品中采用电荷泵电路来获得负压更为简单，并且有带线性稳压输出的电荷泵IC，所以在便携式产品中电压反转式DC/DC变换器也很少用。 电荷泵电源
----关于电荷泵电源已在本刊2000年1期《电荷泵电压反转器满足便携式电子产品电源的需要》一文中介绍了，这里不再重复。 便携式电源IC的特点
----便携式电源IC种类繁多，它们的共同特点有： 工作电压低
----一般便携式的工作电压为3.0～3.6V。有一些工作电压更低，如2.0、2.5、2.7V等；也有一些工作电压为5V，还有少数12V或28V的特殊用途的电压源。 工作电流不大
----便携式电子产品范围极宽，从几毫安到几安都有，但大致可分为5类，如表1所示。
----由于大多数便携式电子产品的工作电流小于300mA，所以30～300mA的电源IC在品种及数量上占较大的比例。 封装尺寸小
----近年来发展的便携式产品都采用贴片式器件，电源IC也不例外，主要有SO封装、SOT-23封装，μMAX封装及封装尺寸最小的SC-70及最新的SMD封装等，使电源占的空间越来越小。 完善的保护措施
----新型电源IC有完善的保护措施，这包括：输出过流限制、过热保护、短路保护及电池极性接反保护，使电源工作安全可靠，不易损坏。 耗电小及关闭电源功能
----新型电源IC的静态电流都较小，一般为几十μA到几百μA。个别微功耗的线性稳压器其静态电流仅1.1μA。另外，不少电源IC有关闭电源控制端功能（用电平来控制），在关闭电源状态时IC自身耗电在1μA左右。由于它可使一部分电路不工作，可大大节省电能。例如，在无线通信设备上，在发送状态时可关闭接收电路；在未接收到信号时可关闭显示电路等。 有电源工作状态信号输出
----不少便携式电子产品中有单片机，在电源因过热或电池低电压而使输出电压下降一定百分数时，电源IC有一个电源工作状态信号输给单片机，使单片机复位。利用这个信号也可以做成电源工作状态指示（当电池低电压时，有LED显示）。 输出电压精度高
----一般的输出电压精度为±2～4%之间，有不少新型电源IC的精度可达±0.5～±1%；并且输出电压温度系数较小，一般为±0.3～±0.5mV/℃，而有一些可达到±0.1mV/℃的水平。线性调整率一般为0.05%～0.1%/V，有的可达0.01%/V；负载调整率一般为0.3～0.5%/mA，有的可达0.01%/mA。 新型组合式电源IC
----升压式DC/DC变换器的效率高但纹波及噪声电压较大，低压差线性稳压器效率低但噪声最小，这两者结合组成的双输出电源IC可较好地解决效率及噪声的问题。例如，数字电路部分采用升压式DC/DC变换器电源而对噪声敏感的电路采用LDO电源。这种电源IC有MAX710/711，MAX1705/1706等。另一种例子是电荷泵+LDO组成，输出稳压的电荷泵电源IC，例如MAX868，它可输出0～-2VIN可调的稳定电压，并可提供30mA电流；MAX1673稳压型电荷泵电源IC输出与VIN相同的负压，输出电流可达125mA。 电源IC选择指南
----选择电源IC不仅仅要考虑满足电路性能的要求及可靠性，还要考虑它的体积、重量、延长电池寿命及成本等问题。这里给出一些选择基本原则，供参考。 优先考虑升压式DC/DC变换器
----采用升压式DC/DC变换器不仅效率高并且可减少电池数（减小整个电源体积及重量）。例如MAX1674/1675高效率、低功耗升压式DC/DC变换器IC，其静态电流仅16μA，在输出200mA时效率可达94%，在关闭电源时耗电仅0.1μA，并可选择电流限制来降低纹波电压。 采用LDO的最佳条件
----当要求输出电压中纹波、噪声特别小的场合，输入输出电压差不大，输出电流不大于100mA时采用微功耗、低压差（LDO）线性稳压器是最合适的。例如，采用3节镍镉、镍氢电池或采用1节锂离子电池，输出3.0～3.3V电压，工作电流小于100mA时，电池寿命较长，并且有较高的效率。例如采用超微功耗线性稳压器BAW03A～06A，其静态电流仅1.1μA，输出电压有3.0、3.1、3.2、3.3、3.4、4.0、4.2、4.3、4.5、5.0、5.8、6.0V，可供用户选择，输出电流30mA～50mA。MAX8867/8868输出噪声为30μVrms。而另一种低功耗、低压差LDO器件GMT7250，其静态电流180μA，输出100mA时压差小于85mV。该器件温度稳定性好，典型值为31ppm/℃，并且有电源工作状态信号输出及关闭电源控制。该器件有固定电压输出：3.3V、4.85V、5.0V三种，并且可外接两电阻来设定输出电压，输出电压范围为1.2～9.75V，输出电流可达250mA，适合大多数便携式产品应用。 需负电源时尽量采用电荷泵
----便携式仪器中往往需要负电源，由于所需电流不大，采用电荷泵IC组成电压反转电路最为简单，若要求噪声小或要求输出稳压时，可采用带LDO线性稳压器的电荷泵IC。例如，MAX1680/1681，输出电流可达125mA，采用1MHz开关频率，仅需外接两个1μF小电容，输出阻抗3.5Ω，有关闭电源控制（关闭时耗电仅1μA），并可组成倍压电路。另一种带稳压输出的电荷泵IC MAX868，它输出可调（0～-2×VIN），外接两个0.1μF电容，消耗35μA电源电流，可输出30mA稳压的电流，有关闭电源控制功能（关闭时耗电仅0.1μA），小尺寸μMAX封装。 不要追求高精度、功能全的最新器件
----电源IC的精度一般为±2%～±4%，精度高的可达±0.5%～±1%，要根据电路的要求选择合适的精度，这样可降低生产成本。功能较全的器件价格较高，所以无需关闭电源功能的或产品中无微处理器（μP）或微控制器（μC）的则无需选择带关闭电源功能或输出电源工作状态信号的器件，这样不仅可降低成本，并且尺寸更小。
不要“大马拉小车”
----电源IC最主要的三个参数是，输入电压VIN、输出电压Vo及最大输出电流Iomax。根据产品的工作电流来选择：较合适的是工作电流最大值为电源IC最大输出电流Iomax的70～90%。例如最大输出电流Iomax为1A的升压式DC/DC变换器IC可用于工作电流700～900mA的场合，而工作于20～30mA时，其效率则较低。如果产品有轻负载或重负载时，最好选择PFM/PWM自动转换升压式DC/DC变换器，这不仅在轻负载时采用PFM方式耗电较小，正常负载时为PWM方式，而且效率也高。这种电源IC有TC120、MAX1205/1706等。
输出电流大时应采用降压式DC/DC变换器
----便携式电子产品大部分工作电流在300mA以下，并且大部分采用5#镍镉、镍氢电池，若采用1～2节电池，升压到3.3V或5V并要求输出500mA以上电流时，电池寿命不长或两次充电间隔时间太短，使用不便。这时采用降压式DC/DC变换器，其效率与升压式差不多，但电池的寿命或充电间隔时间要长得多。 DC/DC变换器中L、C、D的选择
----电感L、输出电容C及续流二极管或隔离二极管D的选择十分重要。电感L要满足在开关电流峰值时不饱和（开关峰值电流要大于输出电流3～4倍），并且要选择合适的磁芯以满足开关频率的要求及选择直流电阻小的以减少损耗。电容应选择等效串联电阻小的电解电容（LOW ESR），这可降低输出纹波电压，采用三洋公司的有机半导体铝固体电解电容（一般为几十～几百毫欧）有较好效果。二极管必须采用肖特基二极管，并且要以满足大于峰值电流为要求。 。关于LDO与DC/DC的选择问题
问：当电池电压为4～6.6V时，欲输出3V给MCU，用LDO好呢还是采用DC/DC？因产品要求，实际上为两部分供电，MCU出于省电考虑尽量用低电压，而外设需要5V以上电压比较理想。因为是电池供电，所以对功耗挺敏感的，MCU的工作电流也就几个mA。这种情况是LDO效率高还是DC/DC高呢？看上去压差这么高，似乎DC/DC效率高些，但我的负载电流很小阿，用LDO可以吗？ 答：这是一个有趣的问题，几乎每个论点都站的住脚。我也谈谈自己的观点：
首先，选择LDO需要考虑的基本问题，包括输入电压范围、预期输出电压、负载电流范围以及其封装的功耗能力。此外，接地电流或静态电流(IGND或IQ)、电源波纹抑止比(PSRR)、噪声与封装大小通常也是LDO选择的必要因素。
其次，输入输出电压差的问题。该电压差是LDO最重要的参数之一。在保证输出电压稳定的前提下，该电压差越低，稳压器的性能越好。反之，当确定LDO能够提供预期输出电压时，需要进一步考虑其压降。输入电压必须大于预期输出电压与特定压降之和，即VIN > VOUT+VDROPOUT。如果VIN降低至必需的电压以下，则我们说LDO出现“压降”，输出等于输入减去旁路组件的RDS(on)乘以负载电流。LDO的最大优势就是：满载的跌落压降一般小于500mV。轻载时的压降只有10到20mV。
再次，静态电流。电池供电时，为最大化电池的运行时间，应选择相对于负载电流来说IQ较低的LDO。例如，考虑到IQ 只增加0.02％的微不足道的电池消耗，在100mA负载情况下，一般采用200μA的IQ比较合理。
最后，输出电容器的问题。典型的LDO应用时，需要添加外部输入和输出电容器。选择对电容器稳定性方面没有要求的LDO，可以降低尺寸与成本，另外某些情形甚至可取消这些组件。一般地，选用较低ESR的电容器可提高 PSRR、噪声以及瞬态响应性能。从这方面讲，可节约一定的成本。总体而言，选用LDO要相对好些。
LDO的选用技术
LDO的种类
LDO是新一代的集成电路稳压器，它与三端稳压器最大的不同点在于，LDO是一个自耗很低的微型片上系统(SoC)。LDO按其静态耗流来分，分为OmniPowerTM / MicroPowerTM / NanoPowerTM三种产品。OmniPowerTM LDO的静态电流在100mA-1mA，MicroPowerTM LDO的静态电流在10mA-100mA，NanoPowerTM LDO的静态电流小于10mA，通常只有1mA。OmniPowerTM LDO 是一种静态电流稍大但性能优于三端稳压器的新型线性稳压器，适用于使用AC/DC固定电源的所有电子、电器产品。因其需求量大，生产量大，而生产成本极低，价格十分便宜。MicroPowerTM LDO是一种微功耗的低压差线性稳压器，它具有极低的自有噪音和较高的电源纹波抑制(PSRR)，具有快捷的使能控制功能，给它一个高或低的电平可使它进入工作状态或睡眠状态，具有最好的性能/功率比，适用于在需要低噪音的手机电源中使用。NanoPowerTM LDO 是一种毫微功耗的低压差线性稳压器，具有极低的静态电流，稳压十分精确，最适用于需要节电的手提电子、电器产品，见图1。
LDO的结构
LDO的结构是一个微型的片上系统，它由作电流主通道的、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，如图 2。
POK(Power OK)是新一代LDO都具备的输出状态自检、延迟安全供电功能，也有称之为Power good即“电源好”。
工作原理及效率
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。LDO是一个步降型的DC/DC 转换器，因此Vin > Vout，它的工作效率：LDO的效率一般为60-75%，静态电流小的效率会好一些。
LDO选择原则
当所设计的电路要求分路电源具有下列特点时：
● 低噪音、高纹波抑制；
● 占用PCB板面积小(如手机、手持电子产品)；
● 电路电源不允许使用电感器(如手机)；
● 电源需要具有瞬时校准和输出状态自检功能；
● 要求稳压器低压降、自身低功耗；
● 线路要求低成本和简单方案；
此时，选用LDO是最确当、最实用、最方便、最经济的。 应用简介
LDO的应用电路十分方便简单，工作时仅需要二个作输入、输出电压退耦降噪的陶瓷电容器，见图 3。
Vin和Vout的输入和输出滤波电容器，应当选用宽范围的、低等效串联电阻(ESR)、低价陶瓷电容器，使LDO在零到满负荷的全部量程范围内稳压效果稳定。一些LDO有一个Bypass附加脚，由它连接一个小的电容器，可以进一步降低噪音。
电容器的选择关系到设计产品的质量和成本，电容器的电容值、电介质材料类型、物理尺寸、等效串联电阻(ESR)等这些重要参数都是设计工程师所要考虑的。在LDO使用电路的设计中，陶瓷电容器是最好的选择，因为陶瓷电容器无极性和具有低的ESR，典型值<100mW，电容器的ESR对输出纹波有重大影响，而ESR受电容器的类型、容量、电介质材料和外壳尺寸影响，如常用的贴片电容器X7R 电介质是最好的，但使用成本略高，X5R 电介质较好，性能/价格比适宜，而Y5V电介质较差，但成本较低。
LDO在PCB板上的工艺走线十分重要，当工艺走线不良和靠近RF线时降噪性能会受影响。滤波电容器汇入地节点选择不良时，由负载返回地的电流中，噪音和纹波都会增加。在通常的布线设计中常常遇到此类情况(图 4)。如将此布线线路优化，则可在由负载返回地的电流中，噪音和纹波都降至最小(图 5)。理想的PCB板布线设计是接地点尽可能的粗短和走捷径，走线一定要考虑各个器件间的干扰和辐射，器件的合理排列可有利于有效地减少各个器件间的相互干扰和辐射，如图 6所示。
新一代的LDO都是用CMOS工艺生产的，它和使用Bipolar工艺生产的LDO功能上没有多大的区别，可是静态电流、压降、噪音和成本等的内在性能有很大的提高(表 1)。 LDO的应用电路如图 7所示，可供参考。
AATI LDO的优点
美国研诺逻辑科技有限公司(AATI)利用CMOS技术生产性能优秀的LDO，如适用于手机、手持通信产品的低噪音MicroPowerTM LDO AAT3215/150mA、AAT3236/300mA，具有高性能快速功率开关功能的AAT3218/150mA、AAT3238/300mA，具有POK功能的AAT3216/150mA、AAT3237/300mA；适用于PDA、eBook、DSC、手持电子产品的极低静态电流NanoPowerTM LDO AAT3220/21/22/150mA，具有POK功能的AAT3223/250mA。适用于AC/DC固定电源的OmniPowerTM LDO
AAT3219/3200/3201/150mA。LDO的封装除了现有的SOT23的小封装外，还有AATI独创专利的宽体、J脚SC70JW超小尺寸封装，适用于表面贴装，在PCB板上所占空间很小，SC70JW封装使晶片占空比达42%，占用PCB面积仅4.2平方毫米，芯片抬起安装可利用空气受热自然流动散热和多3个脚接地可充分利用PCB板散热。■
图1 LDO 的分类与应用
图2 具有限流、使能、电源好的微型P沟道LDO
图3 LDO典型应用
图 4 通常的布线设计
图 5 优化的布线设计
图 6 理想的LDO PCB板设计实例
本文来源：https://www.dywdw.cn/4e981630ab114431b90d6c85ec3a87c240288aee.html
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2022-07-26
