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电压开关电源功耗LDO在开关电源中的应用

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LDO简介

  LDO是一种微功耗的低压差线性稳压器,它通常具有极低的自有噪声和较高的电源抑制比PSRR(PowerSupplyRejectionRatio)。

  LDO低压差线性稳压器的结构如图(2)主要包括启动电路、恒流源偏置单元、使能电路、调整元件、基准源、误差放大器、反馈电阻网络和保护电路等。基本工作原理是这样的:系统加电,如果使能脚处于高电平时,电路开始启动,恒流源电路给整个电路提供偏置,基准源电压快速建立,输出随着输入不断上升,当输出即将达到规定值时,由反馈网络得到的输出反馈电压也接近于基准电压值,此时误差放大器将输出反馈电压和基准电压之间的误差小信号进行放大,再经调整管放大到输出,从而形成负反馈,保证了输出电压稳定在规定值上,同理如果输入电压变化或输出电流变化,这个闭环回路将使输出电压保持不变,即:Vout=(R1+R2)/R2 ×Vref

  实际的低压差线性稳压器还具有如负载短路保护、过压关断、过热关断、反接保护等其它的功能。

  LDO应用于开关电源

  目前大多IC设计产商生产的低压差线性稳压器(LDO)典型封装都是SOT23-5和SOT23-3,如圣邦微电子的SGM2007,SGM2013。如图(3)为SGM2007的典型应用电路图。

  目前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的开关频率100kHz,用MOS-FET制成的开关频率500kHz电源。开关电源的突出缺点是产生较强的EMI。EMI信号既具有很宽的频率范围,又有一定的幅度,经传导和辐射会污染电磁环境,对通信设备和电子产品造成干扰。如果处理不当,开关电源本身就会变成一个干扰源。当用开关电源做为LDO的输入VIN时要注意LDO电源抑制比和功耗。

  电源抑制比PSRR(Power supply ripple rejectionratio)是反应LDO输出对输入纹波抑制能力的一个交流参数,一般输出和输入的频率是一样的,PSRR的值越大说明LDO的纹波能力越强,也就是说输入对输出的影响很小。尽管LDO的电源抑制比很强,但都是在一定频率内的抑制很强,一般的在50KHz到200kHz的电源抑制比还是很差的如图(4)为SGM2007的PSRR和频率曲线,而这段频率正是大多数开关电源的工作频率,如果LDO的负载和输入输出电容匹配不好,很容易引起LDO振荡。而造成整个LDO供电系统的不稳定。

  目前市场上出售的开关电源大多数都是固定电压输出的,一般常用都是5V输出的,而一般的LDO应用最多的是3.3V输出的,在开关电源的输出做为LDO的输入时,就存在一个很大的压差,为1.7V。如果LDO电流很大的话如200mA,那么芯片的温度就会很高,功耗很大,长时间工作在高温的情况下,会影响芯片的工作寿命。

  低压差线性稳压器功耗主要是输入电压,输出电压以及输出电流的函数。下列方程式可用来计算最恶劣情况下的功耗:

  PD=(VINMAX-VOUTMIN)ILMAX。其中:PD=最恶劣情况下的实际功耗,VINMAX=VIN脚上的最大电压,VOUTMIN=稳压器输出的最小电压,ILMAX=最大(负载)输出电流。

  最大允许功耗(PDMAX)是最大环境温度(*AX),最大允许结温(TJMAX)(+125℃)和结点到空气间热阻(θJA)的函数。对于安装在典型双层FR4电解铜镀层PCB板上的5引脚SOT-23封装器件,其(θJA)约为250℃/Watt。

  PDMAX=(*AX-TJMAX)/θJA

  VINMAX=3.0V+10%,VOUTMIN=2.7V-2.5%,ILOADMAX=40mA,TJMAX=+125℃,*AX=+55℃

  实际功耗PD=26.7mW,最大允许功耗:PDMAX=280mW

  当开关电源做为低压差线性稳压器输入时,一定要注意开关电源的纹波,开关频率对LDO的影响,及LDO负载电容的匹配,不要超过他的最大功耗,以影响系统的稳定性。

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