什么是電源芯片? 它有什么作用? 在選擇電源芯片的時(shí)候，應(yīng)該考慮哪些地方? 輸入電壓線性調(diào)整率、輸入電壓線性變化時(shí)對(duì)輸出電壓的相對(duì)影響? 下面先來了解幾個(gè)概念問題：

1、輸出電壓負(fù)載調(diào)整率：負(fù)載電流變化時(shí)輸出電壓相對(duì)變化情況

2、輸出電壓精度：器件輸出電壓的誤差范圍

3、負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)：負(fù)載電流從一個(gè)小值到最大值快速變化時(shí)，輸出電壓的波動(dòng)。

電源芯片選擇DC/DC還是LDO?

這個(gè)取決于你的應(yīng)用場合。 比如用在升壓場合，當(dāng)然只能用DC/DC，因?yàn)長DO是壓降型，不能升壓。

另外看下各自的主要特點(diǎn)： DC/DC效率高，噪聲大; LDO噪聲低，靜態(tài)電流小。 所以如果是用在壓降比較大的情況下，選擇DC/DC，因?yàn)槠湫矢?，而LDO會(huì)因?yàn)閴航荡蠖陨頁p耗很大部分效率; 如果壓降比較小，選擇LDO，因?yàn)槠湓肼暤?，電源干凈，而且外圍電路簡單，成本低?/p>

LDO是lowdropoutregulator，意為低壓差線性穩(wěn)壓器，是相對(duì)于傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器來說的。 傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器，如78xx系列的芯片都要求輸入電壓要比輸出電壓高出2V~3V以上，否則就不能正常工作。 但是在一些情況下，這樣的條件顯然是太苛刻了，如5V轉(zhuǎn)3.3V，輸入與輸出的壓差只有1.7V，顯然是不滿足條件的。 針對(duì)這種情況，才有了LDO類的電源轉(zhuǎn)換芯片。

LDO線性降壓芯片：原理相當(dāng)于一個(gè)電阻分壓來實(shí)現(xiàn)降壓，能量損耗大，降下的電壓轉(zhuǎn)化成了熱量，降壓的壓差和負(fù)載電流越大，芯片發(fā)熱越明顯。 這類芯片的封裝比較大，便于散熱。 LDO線性降壓芯片如：LM2596，L78xx系列等。

DC/DC降壓芯片：在降壓過程中能量損耗比較小，芯片發(fā)熱不明顯。 芯片封裝比較小，能實(shí)現(xiàn)PWM數(shù)字控制。 DC/DC降壓芯片如：TPS5430/31，TPS75003，MAX1599/61，TPS61040/41等。

LDO是lowdropoutregulator，意為低壓差線性穩(wěn)壓器，是相對(duì)于傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器來說的。 傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器，如78xx系列的芯片都要求輸入電壓要比輸出電壓高出2V~3V以上，否則就不能正常工作。 但是在一些情況下，這樣的條件顯然是太苛刻了，如5V轉(zhuǎn)3.3V，輸入與輸出的壓差只有1.7V，顯然是不滿足條件的。 針對(duì)這種情況，才有了LDO類的電源轉(zhuǎn)換芯片。 生產(chǎn)LDO芯片的公司很多，常見的有ALPHA，Linear(LT)，Micrel，Nationalsemiconductor，TI等。

DC-DC電路設(shè)計(jì)技巧及器件選型原則

01.概念及特點(diǎn)

DC-DC指直流轉(zhuǎn)直流電源(Direct Current)。 是一種在直流電路中將一個(gè)電壓值的電能變?yōu)榱硪粋€(gè)電壓值得電能的裝置。 如，通過一個(gè)轉(zhuǎn)換器能將一個(gè)直流電壓(5.0V)轉(zhuǎn)換成其他的直流電壓(1.5V或12.0V)，我們稱這個(gè)轉(zhuǎn)換器為DC-DC轉(zhuǎn)換器，或稱之為開關(guān)電源或開關(guān)調(diào)整器。

DC-DC轉(zhuǎn)換器一般由控制芯片，電感線圈，二極管，三極管，電容器構(gòu)成。 在討論DC-DC轉(zhuǎn)換器的性能時(shí)，如果單針對(duì)控制芯片，是不能判斷其優(yōu)劣的。 其外圍電路的元器件特性，和基板的布線方式等，能改變電源電路的性能，因此，應(yīng)進(jìn)行綜合判斷。

DC-DC轉(zhuǎn)換器的使用有利于簡化電源電路設(shè)計(jì)，縮短研制周期，實(shí)現(xiàn)最佳指標(biāo)等，被廣泛用于電力電子、軍工、科研、工控設(shè)備、通訊設(shè)備、儀器儀表、交換設(shè)備、接入設(shè)備、移動(dòng)通訊、路由器等通信領(lǐng)域和工業(yè)控制、汽車電子、航空航天等領(lǐng)域。 具有可靠性高、系統(tǒng)升級(jí)容易等特點(diǎn)，電源模塊的應(yīng)用越來越廣泛。 此外，DC-DC轉(zhuǎn)換器還廣泛應(yīng)用于手機(jī)、MP3、數(shù)碼相機(jī)、便攜式媒體播放器等產(chǎn)品中。 在電路類型分類上屬于斬波電路。

DC-DC的主要特點(diǎn)是效率高：與線性穩(wěn)壓器的LDO相比較，效率高是DCDC的顯著優(yōu)勢。 通常效率在70%以上，重載下高的可達(dá)到95%以上。 其次是適應(yīng)電壓范圍寬。

A: 調(diào)制方式

1: PFM(脈沖頻率調(diào)制方式)。 開關(guān)脈沖寬度一定 ，通過改變脈沖輸出的頻率，使輸出電壓達(dá)到穩(wěn)定。 PFM控制型即使長時(shí)間使用，尤其小負(fù)載時(shí)具有耗電小的優(yōu)點(diǎn)。

2: PWM(脈沖寬度調(diào)制方式)。 開關(guān)脈沖的頻率一定 ，通過改變脈沖輸出寬度，使輸出電壓達(dá)到穩(wěn)定。 PWM控制型效率高并具有良好的輸出電壓紋波和噪聲。

B: 通常情況下，采用PFM和PWM這兩種不同調(diào)制方式的DC-DC轉(zhuǎn)換器的性能不同點(diǎn)如下：PWM的頻率，PFM的占空比的選擇方法。 PWM/PFM轉(zhuǎn)換型小負(fù)載時(shí)實(shí)行PFM控制，且在重負(fù)載時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)換到PWM控制。

02.架構(gòu)分類

1)常見的三種原理架構(gòu)：

A、 Buck(降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器)

圖1

B、Boost(升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器)

圖2

C、Buck-Boost(升降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器)

圖3

2)Buck電路工作原理詳解

圖4

伏秒平衡原則：處于穩(wěn)定狀態(tài)的電感，電感兩端的正伏秒積等于負(fù)伏秒積，即：電感兩端的伏秒積在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)必須平衡。

圖5

當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)：輸入電壓Vin加到LC濾波器的輸入端，電感上的電流以固定斜率線性上升。 如下圖：

圖6

當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時(shí)：由于電感上的電流不能突變，電感中存儲(chǔ)的能量向負(fù)載釋放,電感電流通過二極管續(xù)流 ，在這個(gè)階段，電流波形是一條斜率為負(fù)的斜線。 如下圖：

圖7

03.設(shè)計(jì)技巧及主要技術(shù)參數(shù)選用要求

DC-DC電路設(shè)計(jì)至少要考慮以下條件：A.外部輸入電源電壓的范圍，輸出電流的大小。 B. DC-DC輸出的電壓，電流，系統(tǒng)的功率最大值。

1.輸入/輸出電壓(Input &Output Voltage)：Vin/Vout。 要按照器件的推薦工作電壓范圍選用，并且要考慮實(shí)際電壓的波動(dòng)范圍，確保不能超出器件規(guī)格。

2.輸出電流(Output Current)：Iout。 器件持續(xù)的輸出電流能力是一個(gè)重要的參數(shù)，選用時(shí)要參考此參數(shù)，并要保留一定的余量。 此參數(shù)的選取還要評(píng)估電路的瞬間峰值電流和發(fā)熱的情況，綜合來確定，并滿足降額要求。

3.紋波(Output ripple)：Vpk-pk。 紋波是衡量電路的輸出電壓波動(dòng)的重要參數(shù)。 要關(guān)注輕載和重載紋波，一般輕載紋波要大。 注意核電等場合下輕載紋波是否會(huì)超出要求。 實(shí)際測試下各種場景負(fù)載下的情況。 通常選用示波器20M帶寬來測試。

4.效率(Efficiency)：要同時(shí)關(guān)注輕載和重載兩種情況。 輕載會(huì)影響待機(jī)功率，重載影響溫升。 通?？?2V輸入，5V輸出下10mA的效率，一般要80%以上。

5.瞬態(tài)響應(yīng) (Transient response)：瞬態(tài)響應(yīng)特性反應(yīng)負(fù)載劇烈變化時(shí)系統(tǒng)是否能及時(shí)調(diào)整以保證輸出電壓的穩(wěn)定。 要求輸出電壓波動(dòng)越小越好，一般按峰峰值10%以下要求。 實(shí)際要注意按推薦值選用反饋電容。 常見取值在22p到120pF。

圖9

6.開關(guān)頻率(Switching Frequency) ：fsw。 常用的開關(guān)頻率多數(shù)在500kHz以上。 較高的開關(guān)頻率1.2M到2M的也有，由于頻率高開關(guān)損耗增加IC散熱設(shè)計(jì)要好，故主要集中在5V低壓輸入小電流的產(chǎn)品。 開關(guān)頻率關(guān)系到電感電容的選用，其它如EMC，輕載下噪音等問題也與之有關(guān)。

7.反饋參考電壓及精度(Feedback Voltage &output accuracy) ：Vref。 反饋電壓要與內(nèi)部的參考電壓相比較，配合外部的反饋分壓電阻，輸出不同電壓。 不同產(chǎn)品的參考電壓會(huì)有不同，如0.6~0.8V，替換時(shí)注意調(diào)整反饋電阻。 反饋電阻要選用1%精度，只要根據(jù)廠家推薦來選，一般不要選的過大，以免影響穩(wěn)定性。 參考電壓精度影響輸出準(zhǔn)確度，常見精度在2%以下，如1%~1.5%,精度高的產(chǎn)品成本會(huì)有差別。 根據(jù)需要選擇。

8.線性穩(wěn)定度和負(fù)載穩(wěn)定度(line/load regulation)：線性穩(wěn)定度反應(yīng)輸入電壓變化輸出電壓穩(wěn)定性。 負(fù)載穩(wěn)定度反應(yīng)輸出負(fù)載變化輸出電壓穩(wěn)定性。 一般要求1%，最大不要超3%。

EN電平：EN高低電平要滿足器件規(guī)格要求，有些IC不能超出特定電壓范圍; 電阻分壓時(shí)注意滿足及時(shí)關(guān)斷，并且考慮電壓波動(dòng)最大范圍內(nèi)要滿足。 由于時(shí)序控制的需要，該引腳會(huì)增加電容，為了電平調(diào)節(jié)和關(guān)斷放電，同時(shí)要有對(duì)地電阻。

10.保護(hù)性能：要有過流保護(hù)OCP，過熱保護(hù)OTP等，并且保護(hù)后條件消失能自恢復(fù)。

11.其它：要求有軟啟動(dòng); 熱阻和封裝; 使用溫度范圍要能覆蓋高低溫等。

04.器件選型一般原則

普遍性

高性價(jià)比

易采購生命周期長

兼容和可替代

資源節(jié)約

降額

易生產(chǎn)和歸一化

05.外圍器件選擇的要求

1.輸入電容：要滿足耐壓和輸入紋波的要求。 一般耐壓要求1.5~2倍以上輸 入電壓。 注意瓷片電容的實(shí)際容量會(huì)隨直流電壓的偏置影響而減少。

2.輸出電容：要滿足耐壓和輸出紋波的要求。 一般耐壓要求1.5~2倍 。

紋波和電容的關(guān)系：

3.BST電容:按照規(guī)格書推薦值。 一般0.1uF-1uF。 耐壓一般要高于輸入電壓。

4.電感：不同輸出電壓的要求感量不同; 注意溫升和飽和電流要滿足余量要求，一般最大電流的1.2倍以上(或者電感的飽和電流必須大于最大輸出電流+0.5*電感紋波電流)。 通常選擇合適的電感值L，使ΔIL占輸出電流的30%~50%。 計(jì)算公式：

VCC電容：按規(guī)格書 要求取值，不能減小，也不要太大，注意耐壓。

6.反饋電容：按規(guī)格書 要求取值，不同廠家芯片取值不同，輸出電壓不同也會(huì)有不同的要求。

7.反饋電阻和EN分壓電阻：要求按規(guī)格書取值，精度1%。

06.PCB設(shè)計(jì)要求

1.輸入電容就近放在芯片的輸入Vin和功率的PGND，減少寄生電感的存在，因?yàn)檩斎腚娏鞑贿B續(xù)，寄生電感引起的噪聲對(duì)芯片的耐壓以及邏輯單元造成不良影響 。 電容地端增加過孔，減少阻抗。

2.功率回路盡可能的短粗，保持較小的環(huán)路面積，較少噪聲輻射。 SW是噪聲源，保證電流的同時(shí)保持盡量小的面積，遠(yuǎn)離敏感的易受干擾的位置。 如，電感靠近SW引腳，遠(yuǎn)離反饋線。 輸出電容靠近電感，地端增加地過孔。

VCC電容應(yīng)就近放置在芯片的VCC管腳和芯片的信號(hào)地之間，盡量在一層，不要有過孔。

4.FB是芯片最敏感，最容易受干擾的部分，是引起系統(tǒng)不穩(wěn)定的最常見原因： 1)FB電阻連接到FB管腳竟可能短，靠近IC放置，減少噪聲的耦合; FB下分壓電阻通常接信號(hào)地AGND; 2)遠(yuǎn)離噪聲源，SW點(diǎn)，電感，二極管(非同步buck); FB走線包地; 3)大電流負(fù)載的FB在負(fù)載遠(yuǎn)端取，反饋電容走線要就近取。

5.BST的電容走線盡量短，不要太細(xì)。

6.芯片散熱要按設(shè)計(jì)要求，盡量在底下增加過孔散熱。

什么是LDO(低壓降)穩(wěn)壓器?

LDO是一種線性穩(wěn)壓器。 線性穩(wěn)壓器使用在其線性區(qū)域內(nèi)運(yùn)行的晶體管或FET，從應(yīng)用的輸入電壓中減去超額的電壓，產(chǎn)生經(jīng)過調(diào)節(jié)的輸出電壓。 所謂壓降電壓，是指穩(wěn)壓器將輸出電壓維持在其額定值上下100mV之內(nèi)所需的輸入電壓與輸出電壓差額的最小值。

正輸出電壓的LDO(低壓降)穩(wěn)壓器通常使用功率晶體管(也稱為傳遞設(shè)備)作為PNP。 這種晶體管允許飽和，所以穩(wěn)壓器可以有一個(gè)非常低的壓降電壓，通常為200mV左右; 與之相比，使用NPN復(fù)合電源晶體管的傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器的壓降為2V左右。 負(fù)輸出LDO使用NPN作為它的傳遞設(shè)備，其運(yùn)行模式與正輸出LDO的PNP設(shè)備類似。

更新的發(fā)展使用CMOS功率晶體管，它能夠提供最低的壓降電壓。 使用CMOS，通過穩(wěn)壓器的唯一電壓壓降是電源設(shè)備負(fù)載電流的ON電阻造成的。 如果負(fù)載較小，這種方式產(chǎn)生的壓降只有幾十毫伏。

DC/DC的意思是直流變(到)直流(不同直流電源值的轉(zhuǎn)換)，只要符合這個(gè)定義都可以叫DC/DC轉(zhuǎn)換器，包括LDO，但是一般的說法是把直流變(到)直流由開關(guān)方式實(shí)現(xiàn)的器件叫DC/DC。

LDO是低壓降的意思，這有一段說明：低壓降(LDO)線性穩(wěn)壓器的成本低，噪音低，靜態(tài)電流小，這些是它的突出優(yōu)點(diǎn)。 它需要的外接元件也很少，通常只需要一兩個(gè)旁路電容。 新的LDO線性穩(wěn)壓器可達(dá)到以下指標(biāo)：輸出噪聲30μV，PSRR為60dB，靜態(tài)電流6μA，電壓降只有100mV。

LDO線性穩(wěn)壓器的性能之所以能夠達(dá)到這個(gè)水平，主要原因在于其中的調(diào)整管是用P溝道MOSFET，而普通的線性穩(wěn)壓器是使用PNP晶體管。 P溝道MOSFET是電壓驅(qū)動(dòng)的，不需要電流，所以大大降低了器件本身消耗的電流; 另一方面，采用PNP晶體管的電路中，為了防止PNP晶體管進(jìn)入飽和狀態(tài)而降低輸出能力，輸入和輸出之間的電壓降不可以太低; 而P溝道MOSFET上的電壓降大致等于輸出電流與導(dǎo)通電阻的乘積。 由于MOSFET的導(dǎo)通電阻很小，因而它上面的電壓降非常低。

如果輸入電壓和輸出電壓很接近，最好是選用LDO穩(wěn)壓器，可達(dá)到很高的效率。 所以，在把鋰離子電池電壓轉(zhuǎn)換為3V輸出電壓的應(yīng)用中大多選用LDO穩(wěn)壓器。 雖說電池的能量最后有百分之十是沒有使用，LDO穩(wěn)壓器仍然能夠保證電池的工作時(shí)間較長，同時(shí)噪音較低。

如果輸入電壓和輸出電壓不是很接近，就要考慮用開關(guān)型的DC/DC了，因?yàn)閺纳厦娴脑砜梢灾溃琇DO的輸入電流基本上是等于輸出電流的，如果壓降太大，耗在LDO上能量太大，效率不高。

DC-DC轉(zhuǎn)換器包括升壓、降壓、升/降壓和反相等電路。 DC/DC轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)是效率高、可以輸出大電流、靜態(tài)電流小。 隨著集成度的提高，許多新型DC/DC轉(zhuǎn)換器僅需要幾只外接電感器和濾波電容器。 但是，這類電源控制器的輸出脈動(dòng)和開關(guān)噪音較大、成本相對(duì)較高。

近幾年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，表面貼裝的電感器、電容器、以及高集成度的電源控制芯片的成本不斷降低，體積越來越小。 由于出現(xiàn)了導(dǎo)通電阻很小的MOSFET可以輸出很大功率，因而不需要外部的大功率FET。 例如對(duì)于3V的輸入電壓，利用芯片上的NFET可以得到5V/2A的輸出。 其次，對(duì)于中小功率的應(yīng)用，可以使用成本低小型封裝。 另外，如果開關(guān)頻率提高到1MHz，還能夠降低成本、可以使用尺寸較小的電感器和電容器。 有些新器件還增加許多新功能，如軟啟動(dòng)、限流、PFM或者PWM方式選擇等。

總的來說，**升壓是一定要選DC/DC的; 降壓，是選擇DC/DC還是LDO，要在成本，效率，噪聲和性能上比較。 **LDO體積小，干擾較小，當(dāng)輸入與輸出電壓差較大時(shí)，轉(zhuǎn)換效率低。 DC/DC好處就是轉(zhuǎn)換效率高，可以大電流，但輸出干擾較大，體積也相對(duì)較大。

LDO一般是指線性的穩(wěn)壓器--Low Drop Out，而DC/DC則是線性式和開關(guān)式穩(wěn)壓器的總稱。 如果你的輸出電流不是很大(如3A以內(nèi))，而且輸入輸出壓差也不大(如3.3V轉(zhuǎn)2.5V等)就可以使用LDO的穩(wěn)壓器(優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓的ripple很小)。 否則最好用開關(guān)式的穩(wěn)壓器，如果是升壓，也只能用開關(guān)式穩(wěn)壓器(如果ripple控制不好，容易影響系統(tǒng)工作)。

LDO的選擇

當(dāng)所設(shè)計(jì)的電路對(duì)分路電源有以下要求：

1、高的噪音和紋波抑制;

2、占用PCB板面積小，如手機(jī)等手持電子產(chǎn)品;

3、電路電源不允許使用電感器，如手機(jī);

4、電源需要具有瞬時(shí)校準(zhǔn)和輸出狀態(tài)自檢功能;

5、要求穩(wěn)壓器低壓降，自身功耗低;

6、要求線路成本低和方案簡單。

此時(shí)，選用LDO是最恰當(dāng)?shù)倪x擇，同時(shí)滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)的各種要求。

審核編輯：湯梓紅