贴片式稳压电源IC的识别与使用
随着半导体工艺技术的不断改进,特别是便携式电子产品的迅猛发展,促使贴片式电源IC有了长足的进步。贴片式电源IC绝不仅仅是封装形式的改变,而是不断地降低自身的损耗以提高效率,并与微处理器μP或微控制器μC结合组成电源管理系统以达到最大限度节能的目的。例如,采用CMOS工艺开发了微功耗、超微功耗电源IC;开发出低压差(LDO)器件,提高了线性稳压器的效率;采用同步整流技术使DC/DC变换器效率提高到97%,精度达到±(1%~2%)。贴片式电源IC封装尺寸小、外围元件少工作频率高,电源所占印制板面积很小。例如,振荡器频率从几十千赫提高到2MHz以上,使滤波元件尺寸大为减小;电荷泵式电源的频率已高达2MHz~3MHz,可采用小尺寸贴片式陶瓷电容代替铝或钽电解电容。在使用上更为灵活。例如,线性固定输出稳压器也可外接两个电阻使输出电压能由用户设定;DC/DC变换器也可由用户来设定PWM或PFM工作模式,达到在轻、重负载时都有90%以上的效率等。这种例子真是不胜枚举。新一代电源IC效率高、功能强、性能好,更加安全可靠,尺寸也更小。 本文着重介绍稳压电源的基本知识(工作原理、主要性能指标、功能)。在今年的增刊中将介绍各种较实用的贴片电源IC,可供设计、开发人员及维修人员参考、选用。
LDO的意义
“LDO”是英文Low Dropout的缩写,意为“低压差”,即(VIN-VOUT)很小。它是线性稳压IC的一个重要性能指标。为此,人们已把低压差线性稳压器简称为“LDO”。要了解LDO的意义,先要了解其工作原理及转换效率。
线性稳压器是通过输出电压反馈、经误差放大器等组成的控制电路来控制调整管的管压降VDO(即压差)来达到稳压的目的,如图1所示。它的特点是:VIN必须大于VOUT;调整管工作在线性区(线性稳压器从此得名)。无论输入电压的变动或负载电流的变化引起输出电压变动时,通过反馈及控制电路,改变VDO的大小,使输出电压VOUT基本不变。
线性稳压电源的转换效率η为:
η=PL/(PL+PDO+PG)×100%
式中PL为输出功率,PL=VOUT×IO;PDO为调整管上的损耗功率,PDO=(VIN-VOUT)×IO;PG为地电流IG造成的损耗功率,PG=VIN×IG。
以老产品7805为例。已知VOUT=5V,IOmax=1.5A,IG=8mA,要求压差大于3V,即VIN≥8V。若忽略IG的损耗,则最高效率η为62.5%。若输入电压为9V时,则效率降到55%左右。
降低压差的结构
可以通过采用不同的结构来降低压差,如图2所示。图2(a)为老产品,VDO=2.5~3V;图2(b)中,VDO=1.2~1.5V;图2(c)中,VDO=0.3~0.6V;图2(d)采用MOSFET作调整管,其VDO=RDS(ON)×IO,现在RDS(ON)已能做到几十至几百毫欧,所以压差极小。另外MOSFET不需要较大的驱动电源,IG相应减小,因而效率η可以进一步提高。
如果将7805的3V压差减小到0.6V,则效率η为88%,这就是LDO的意义!
前几年,输出几百毫安的LDO可做到每输出100mA时,压差为100mV左右,而近年来,已能做到每100mA输出,其压差仅为40~50mV的水平,个别可达23mV/100mA。
关闭电源控制与电源管理
三端稳压电源IC仅有稳压功能,而新型电源IC(不管哪种类型)一般都有关闭电源控制端。在关闭电源状态时,耗电约1μA。在多个电源IC组成的电源系统中,由微处理器μP或微控制器μC控制,可实现有序地关闭一些电源IC而使部分电路停止工作,从而大大地节省电能,延长电池的寿命。
图3是一种电源管理框图。每个电源IC有一个关闭控制端SHDN————(图SD——中用表示),由μP或μC加低电平(或高电平)使电源IC关闭(或工作)。
有些电源IC还设有电源工作状态信号输出。当电源工作正常时,输出高电平;当电源有故障或输出电压低于正常电压5%以上时,输出低电平。此信号可输入μP、μC或利用LED指示电路作故障或输出电压过低报警。
为什么开关式稳压器效率高
开关式稳压器效率高的原因,可以用降压式开关稳压器为例加以说明(一般称为降压式DC/DC变换器),如图4(a)所示。开关管导通时〔图4(b)〕,相当于开关闭合,VIN经L向C充电,在电感器L上储能。开关管截止时〔图4(c)〕,相当于开关断开,储存在电感器L中的能量释放,通过电容器C及二极管VD形成回路。输出电压经反馈到控制电路。若负载电流变化引起输出电压变动时,控制器通过开关管改变脉冲的宽度(PWM)或改变脉冲的频率(PFM),使输出电压保持基本不变。电感器上的电流IL的波形如图4(d)所示,图中虚线表示输出的平均电流。
如上所述,开关电源IC的开关管工作于开关状态,所以开关管上的损耗很小,因此效率就很高,一般可达80%~93%。
开关式稳压器的特点
开关式稳压器不仅效率高,并且可以组成降压式(VIN>VOUT)、升压式(VIN
调节器与控制器
调节器是Regulator的译名,但人们习惯上把调节器称为稳压器。调节器与控制器的差别是:若调整管或开关管做在IC上称为调节器;若调整管或开关管不做在IC上则称为控制器。
控制器的优点是:用户可以根据所需输出电流的大小选择不同的调整管或开关管,应用较为灵活;调整管或开关管属功率器件,会发热,与控制电路分开可使控制电路免受高温影响;另外,硅片面积小,工艺简单,生产成本低。
电荷泵式电源
电荷泵式电源也是一种DC/DC变换器,它将输入的正电压转换成相应的负电压,即VOUT=-VIN。另外,不同的接法也可转换成近两倍的输入电压,即VOUT≈2VIN。
电荷泵变换器的工作原理如图5所示。振荡器输出50%占空比的脉冲控制模拟开关S1及S2;经反相器后控制模拟开关S3及S4。可以看出,S1、S2闭合时,S3、S4断开;S1、S2断开时,S3、S4闭合。
当S1、S2闭合,S3、S4断开时,输入的正电压VIN向C1充电(上正下负);当S3、S4闭合,S1、S2断开时,C1向C2放电(上正下负)。当振荡器以较高的频率控制模拟开关,使VOUT=-VIN。
电荷泵电路由电容上的电荷转移而得名。它的特点是电压转换效率很高,可达98%~99%,但不稳压,并且有较大的纹波电压输出。近年来经过不断改进,工作频率已从10kHz(ICL7660)提高到几百千赫,有的已高达2MHz~3MHz。频率增高使泵电容容量减小,输出电流加大,输出电阻减小,纹波电压减小。
编后: “SMD连载”系列文章从今年第7期开始至此已全部刊出,由于篇幅的限制,我们更多的是介绍SMD的基本常识和使用时的注意事项(即“应用指南”部分的内容),而对在产品手册和网络上能查到的具体参数和资料则作了删节。为此我们将贴片式二极管、三极管、场效应管和电源IC的相关资料重新整理放到了本刊今年的增刊中,共约20页,其中还包括温度补偿晶体振荡器的资料。详情请参阅本期第1页的介绍。
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