線性穩(wěn)壓電源穩(wěn)定可靠的電源方案適用于精密電子設(shè)備課程目標(biāo)1掌握線性穩(wěn)壓器基本原理2了解主要類型與特性3學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)考慮因素4對(duì)比不同穩(wěn)壓技術(shù)什么是線性穩(wěn)壓器？電壓調(diào)節(jié)裝置將不穩(wěn)定輸入電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定輸出線性控制元件通過(guò)調(diào)整串聯(lián)元件電阻實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓模擬電路連續(xù)調(diào)整工作狀態(tài)確保輸出恒定線性穩(wěn)壓器的基本原理檢測(cè)輸出持續(xù)監(jiān)測(cè)輸出電壓比較參考與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓比較調(diào)整阻抗改變串聯(lián)元件電阻值維持穩(wěn)定保持輸出電壓恒定線性穩(wěn)壓器的工作原理1輸入電壓變化外部供電電壓波動(dòng)2反饋信號(hào)生成采樣電路檢測(cè)輸出變化3誤差放大比較器產(chǎn)生誤差信號(hào)4調(diào)整導(dǎo)通狀態(tài)控制元件阻抗變化線性穩(wěn)壓器的基本結(jié)構(gòu)功率管元件主要功率控制元件1參考電壓源提供穩(wěn)定參考基準(zhǔn)2誤差放大器比較并放大偏差信號(hào)3反饋網(wǎng)絡(luò)采樣輸出電壓形成反饋4線性穩(wěn)壓器的主要組成部分調(diào)整晶體管可變電阻元件，控制電流基準(zhǔn)電壓提供穩(wěn)定參考值放大電路檢測(cè)并放大誤差信號(hào)分壓網(wǎng)絡(luò)采樣輸出電壓壓控電流源的作用控制輸出電流根據(jù)負(fù)載需求調(diào)整輸出電流大小響應(yīng)負(fù)載變化快速適應(yīng)負(fù)載阻抗變化維持穩(wěn)定輸出確保在變化條件下輸出穩(wěn)定控制電路的功能檢測(cè)偏差測(cè)量輸出與參考值之間的差異產(chǎn)生控制信號(hào)生成相應(yīng)的調(diào)整信號(hào)驅(qū)動(dòng)功率元件調(diào)整功率管的導(dǎo)通狀態(tài)保持系統(tǒng)穩(wěn)定防止振蕩和過(guò)度響應(yīng)反饋環(huán)路的重要性檢測(cè)輸出持續(xù)監(jiān)測(cè)輸出電壓值1比較基準(zhǔn)與內(nèi)部參考電壓對(duì)比2調(diào)整輸入修正控制元件狀態(tài)3穩(wěn)定輸出使輸出電壓保持恒定4線性穩(wěn)壓器的類型串聯(lián)型穩(wěn)壓器調(diào)整元件串聯(lián)于電源和負(fù)載之間并聯(lián)型穩(wěn)壓器分流元件并聯(lián)于負(fù)載兩端低壓差穩(wěn)壓器特殊設(shè)計(jì)的串聯(lián)型，壓降小串聯(lián)型線性穩(wěn)壓器輸入電壓不穩(wěn)定的電源輸入串聯(lián)調(diào)整元件位于電源與負(fù)載之間控制電路根據(jù)反饋調(diào)整導(dǎo)通狀態(tài)穩(wěn)定輸出向負(fù)載提供恒定電壓并聯(lián)型線性穩(wěn)壓器1輸入電源通過(guò)限流電阻連接2并聯(lián)調(diào)整元件與負(fù)載并聯(lián)連接3分流電流控制調(diào)整分流電流大小串聯(lián)型vs并聯(lián)型：優(yōu)缺點(diǎn)比較串聯(lián)型優(yōu)點(diǎn)效率較高適用于大電流結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單串聯(lián)型缺點(diǎn)壓降損耗大熱量集中并聯(lián)型優(yōu)點(diǎn)短路保護(hù)性好熱分散并聯(lián)型缺點(diǎn)效率低結(jié)構(gòu)復(fù)雜線性穩(wěn)壓器的主要特性電壓精度輸出電壓與標(biāo)稱值的偏差程度負(fù)載調(diào)整率負(fù)載變化時(shí)輸出電壓的穩(wěn)定性紋波抑制抑制輸入紋波的能力溫度系數(shù)溫度變化對(duì)輸出的影響線性調(diào)整率定義輸入電壓變化對(duì)輸出電壓的影響程度計(jì)算方法輸出變化量與輸入變化量的比值典型值0.01%至0.1%，越小越好負(fù)載調(diào)整率負(fù)載電流(mA)輸出電壓(V)負(fù)載電流增加時(shí)輸出電壓略有下降，良好設(shè)計(jì)應(yīng)保持曲線平坦紋波抑制比60dB典型PSRR值普通線性穩(wěn)壓器80dB高性能值高精度應(yīng)用100Hz關(guān)鍵頻率電源紋波常見頻率輸出阻抗定義穩(wěn)壓器輸出等效阻抗影響因素反饋增益和輸出電容重要性決定負(fù)載變化時(shí)響應(yīng)速度優(yōu)化方法增加反饋增益和輸出電容溫度系數(shù)溫度每變化1°C引起的輸出電壓百分比變化典型值：50-100ppm/°C線性穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)考慮因素1功耗散熱確保安全工作溫度2穩(wěn)定性防止振蕩，保證動(dòng)態(tài)響應(yīng)3電氣特性電壓精度、紋波抑制4基本參數(shù)輸入范圍、輸出電壓、最大電流輸入電壓范圍1最小輸入電壓輸出電壓+壓降電壓2最大輸入電壓取決于元件耐壓能力3工作范圍典型值為1.5-35V4電壓裕度預(yù)留20%安全余量輸出電壓精度不同應(yīng)用領(lǐng)域要求不同精度，精度越高成本越高最大輸出電流小信號(hào)應(yīng)用100mA以下中等功率100mA-1A大功率應(yīng)用1A以上，需散熱限制因素功率耗散和熱管理能力壓降電壓定義維持正常工作所需最小輸入輸出電壓差標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)壓器典型值2-3VLDO穩(wěn)壓器典型值0.1-0.5V影響因素功率元件特性和負(fù)載電流穩(wěn)定性分析波特圖分析評(píng)估相位裕度和增益裕度階躍響應(yīng)檢查過(guò)沖和穩(wěn)定時(shí)間補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)調(diào)整頻率響應(yīng)確保穩(wěn)定線性穩(wěn)壓器的效率壓降電壓(V)效率(%)線性穩(wěn)壓器效率直接與壓降電壓相關(guān)，壓降越小效率越高功率損耗計(jì)算計(jì)算公式P損=(Vin-Vout)×Iout示例12V→5V@1A：功耗=(12-5)×1=7W熱等效幾乎全部轉(zhuǎn)化為熱量熱管理considerations計(jì)算結(jié)溫Tj=Ta+P損×Rθja選擇散熱器根據(jù)熱阻確定散熱器大小熱阻優(yōu)化使用導(dǎo)熱硅脂、PCB銅面溫度監(jiān)測(cè)熱敏電阻或集成溫度傳感器線性穩(wěn)壓器的應(yīng)用場(chǎng)景適用于需要低噪聲、高精度電源的場(chǎng)合常見于模擬電路、音頻設(shè)備、測(cè)量?jī)x器低噪聲應(yīng)用音頻設(shè)備降低底噪，提高信噪比RF電路減少相位噪聲，提高接收靈敏度傳感器供電確保精確測(cè)量，減少干擾醫(yī)療設(shè)備保證信號(hào)完整性和可靠性精確電壓控制參考電壓源提供高精度基準(zhǔn)1ADC/DAC供電確保轉(zhuǎn)換精度2測(cè)量?jī)x器保證測(cè)量準(zhǔn)確性3校準(zhǔn)電路提供穩(wěn)定基準(zhǔn)電壓4低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）定義極低壓降的線性穩(wěn)壓器壓降值通常低于0.5V關(guān)鍵特性高效率、低噪聲、小體積典型應(yīng)用移動(dòng)設(shè)備、后級(jí)穩(wěn)壓LDO的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)低壓降輸入輸出壓差小電池供電設(shè)備理想選擇高效率在小壓差條件下效率高發(fā)熱少，節(jié)約能源低噪聲無(wú)開關(guān)噪聲適合噪聲敏感電路快速響應(yīng)瞬態(tài)響應(yīng)快負(fù)載變化時(shí)穩(wěn)定性好LDO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)功率MOSFET通常為PMOS或NMOS1誤差放大器檢測(cè)并放大偏差2帶隙基準(zhǔn)提供穩(wěn)定參考電壓3保護(hù)電路過(guò)流、過(guò)熱保護(hù)4PMOSvsNMOSLDOPMOS優(yōu)點(diǎn)無(wú)需升壓壓降更低噪聲低PMOS缺點(diǎn)啟動(dòng)響應(yīng)慢較大體積NMOS優(yōu)點(diǎn)成本低芯片尺寸小NMOS缺點(diǎn)需要柵極驅(qū)動(dòng)壓降較大LDO的應(yīng)用領(lǐng)域移動(dòng)設(shè)備手機(jī)、平板、可穿戴設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)傳感器、無(wú)線模塊供電圖像設(shè)備數(shù)碼相機(jī)、監(jiān)控設(shè)備處理器供電FPGA、DSP、MCU核心電源線性穩(wěn)壓器的補(bǔ)償技術(shù)1相位裕度確保至少45°相位裕度2頻率響應(yīng)調(diào)整開環(huán)增益曲線3極點(diǎn)管理控制主導(dǎo)極點(diǎn)位置內(nèi)部補(bǔ)償1集成補(bǔ)償電路芯片內(nèi)置RC網(wǎng)絡(luò)2優(yōu)點(diǎn)使用簡(jiǎn)單，無(wú)需外部元件3缺點(diǎn)固定補(bǔ)償，適應(yīng)性有限4應(yīng)用范圍負(fù)載條件穩(wěn)定的場(chǎng)合外部補(bǔ)償輸出電容補(bǔ)償通過(guò)選擇合適ESR的電容前饋補(bǔ)償加快大信號(hào)響應(yīng)速度RC網(wǎng)絡(luò)添加外部補(bǔ)償元件輸出電容的選擇電容類型陶瓷電容鋁電解電容鉭電容容值范圍典型值1-100μF根據(jù)負(fù)載選擇穩(wěn)定性影響容值過(guò)小易振蕩容值過(guò)大響應(yīng)慢ESR的影響ESR值(Ω)相位裕度(°)輸出電容ESR值對(duì)穩(wěn)壓器穩(wěn)定性有顯著影響，存在最佳范圍線性穩(wěn)壓器的保護(hù)電路過(guò)流保護(hù)防止過(guò)大負(fù)載電流過(guò)熱保護(hù)防止芯片過(guò)熱損壞過(guò)壓保護(hù)保護(hù)負(fù)載免受過(guò)高電壓反向保護(hù)防止輸入極性反接過(guò)流保護(hù)電流限制限制最大輸出電流在安全范圍折返限流過(guò)流時(shí)降低輸出電壓熱關(guān)斷持續(xù)過(guò)流導(dǎo)致溫度升高觸發(fā)關(guān)斷過(guò)熱保護(hù)溫度監(jiān)測(cè)內(nèi)置溫度傳感器監(jiān)測(cè)芯片溫度閾值比較與預(yù)設(shè)閾值比較（通常150°C左右）觸發(fā)關(guān)斷溫度超過(guò)閾值時(shí)關(guān)閉輸出自動(dòng)恢復(fù)溫度下降后自動(dòng)恢復(fù)工作反向電流保護(hù)二極管保護(hù)防止電流從輸出回流到輸入MOSFET保護(hù)使用MOSFET體二極管阻斷反向電流集成保護(hù)芯片內(nèi)置反向電流檢測(cè)電路線性穩(wěn)壓器的性能優(yōu)化1超低噪聲噪聲靈敏應(yīng)用2高PSRR抑制電源干擾3快速瞬態(tài)響應(yīng)應(yīng)對(duì)負(fù)載變化4基本性能精度和穩(wěn)定性提高PSRR的方法1前級(jí)濾波輸入端LC濾波減少紋波2增大環(huán)路增益提高反饋回路增益3帶隙優(yōu)化改進(jìn)基準(zhǔn)電壓源設(shè)計(jì)4多級(jí)結(jié)構(gòu)級(jí)聯(lián)多個(gè)穩(wěn)壓器增強(qiáng)抑制降低噪聲的技巧1低噪聲元件選用低噪聲元器件2帶寬限制合理控制環(huán)路帶寬3后級(jí)濾波輸出端添加LC濾波網(wǎng)絡(luò)4星形接地優(yōu)化PCB布局減少地環(huán)路提高瞬態(tài)響應(yīng)擴(kuò)大帶寬提高環(huán)路響應(yīng)速度前饋路徑添加快速響應(yīng)通路輸出電容優(yōu)化合理配置電容值與ESR驅(qū)動(dòng)能力增強(qiáng)改善功率管驅(qū)動(dòng)電路線性穩(wěn)壓器vs開關(guān)穩(wěn)壓器線性穩(wěn)壓器簡(jiǎn)單易用低噪聲低紋波開關(guān)穩(wěn)壓器高效率低發(fā)熱寬輸入范圍效率比較線性穩(wěn)壓器效率(%)開關(guān)穩(wěn)壓器效率(%)輸入輸出電壓差越大，線性穩(wěn)壓器效率劣勢(shì)越明顯噪聲性能比較線性穩(wěn)壓器噪聲通常在10-100μVrms開關(guān)穩(wěn)壓器噪聲可達(dá)數(shù)mVp-p尺寸和成本比較線性穩(wěn)壓器元件少占板面積小設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單需要散熱開關(guān)穩(wěn)壓器元件多需要電感EMI考慮散熱需求小選擇指南123選擇線性穩(wěn)壓器低噪聲應(yīng)用小電流場(chǎng)合壓差小選擇開關(guān)穩(wěn)壓器高效率要求大電流應(yīng)用壓差大混合方案開關(guān)+LDO級(jí)聯(lián)兼顧效率和噪聲線性穩(wěn)壓器的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)90%更高效率超低壓降LDO1μV超低噪聲精密應(yīng)用需求0.1%高精度參考級(jí)精確度更高效率的設(shè)計(jì)1新型半導(dǎo)體材料GaN、SiC功率器件2動(dòng)態(tài)偏置技術(shù)根據(jù)負(fù)載調(diào)整靜態(tài)電流3電荷泵輔助混合結(jié)構(gòu)提高效率4數(shù)字輔助控制優(yōu)化工作點(diǎn)提高效率集成更多