硬件工程師知識點2 -- 對power的基本認識

電源系統(tǒng)根據(jù)變換方式蜻展,可以分為AC/DC,DC/DC渔隶,DC/AC和AC/AC羔挡,目前只將AC/DC,DC/DC電源稱為開關(guān)電源间唉,DC/AC和AC/AC稱為逆變器和變頻器绞灼。一般消費類電子產(chǎn)品中最常見的是DC/DC,LDO和DC/DC是常用的兩種電源電路呈野。

簡介

LDO具有輸出紋波和噪聲小低矮、應(yīng)用簡單、成本低被冒、電壓輸入輸出無延時的優(yōu)點军掂,但LDO工作效率低,能耗大昨悼,只能支持相對較小的電流輸出蝗锥。因LDO只能實現(xiàn)降壓,其內(nèi)部晶體管(或場效應(yīng)管)工作在線性區(qū)幔戏,所以無法實現(xiàn)輸入端和輸出端的有效隔離玛追。

DC/DC采用MOSFET控制電路輸入與輸出,通過控制MOSFET開關(guān)時間控制輸入回路與輸出回路連通斷開時間闲延,進而輸出不同的電壓值痊剖。DC/DC自身能耗低,輸入與輸出電源的轉(zhuǎn)換效率高垒玲,與LDO只支持降壓相比陆馁,DC/DC支持升壓、降壓合愈、反相等變換叮贩。DC/DC輸入的電流大击狮,支持輸入與輸出的有效隔離,但DC/DC電路設(shè)計復(fù)雜益老,相應(yīng)的成本也高彪蓬,這是因為MOSFET不停地導(dǎo)通和關(guān)閉,電源的輸入和輸出有一定的延時捺萌,且輸入電源的紋波和噪聲較大档冬。

原理

LDO



LDO的功耗主要由Q1的直流電流和電壓產(chǎn)生,損耗和總效率很容易計算桃纯,大多數(shù)情況下酷誓,串接NPN型晶體管最小壓差為2.5V。由于晶體管不工作在開關(guān)狀態(tài)态坦,所以不存在晶體管的下降電流好上升電壓瞬時重疊造成的交流開關(guān)損耗盐数。

晶體管功耗 P = (Vdc- Vo)Io

簡單計算效率,Efficiency=Vo/Vdc

不考慮其他因素伞梯,舉例理解:

DC/DC

Buck

Boost

charge pump

反極性Boost

BUCK


開關(guān)晶體管/MOS將輸入直流電壓斬成方波玫氢,方波由占空比調(diào)節(jié),并通過低通輸出功率濾波得到直流輸出電壓谜诫。濾波器一般采用電感和輸出電容琐旁,方波脈沖經(jīng)過低通濾波器濾波后得到的直流輸出電壓等于方波脈沖的平均值,使用合適的LC濾波可將方波脈沖平滑成無紋波直流輸出猜绣。

晶體管Q1與輸入電壓Vdc串聯(lián)灰殴,通過Q1的導(dǎo)通和截止,在V1處產(chǎn)生方波電壓掰邢。Q1導(dǎo)通時牺陶,V1點電壓為Vdc,Q1截止時辣之,電感產(chǎn)生反電動勢掰伸,使V1點電壓迅速下降到零,并變負值直至被續(xù)流二極管鉗位于-0.8V怀估。方波的平均電壓值為Vdc*Ton/T狮鸭。LC濾波器使輸出點Vo成為幅值等于Vdc*Ton/T的直流電壓。

采樣電阻R1和R2檢測輸出電壓Vo多搀,并將誤差輸入放大器EA與參考電壓Vref比較歧蕉,被放大的誤差電壓Vea被輸入到電壓比較器,PWM比較器的另一輸入是周期為T的鋸齒波康铭。

若輸入電壓Vdc升高惯退,則EA輸出電壓Vea降低,使鋸齒波與Vea交點提前从藤,Q1導(dǎo)通時間Ton縮短催跪,Vdc保持不變锁蠕。Q1導(dǎo)通時間的改變使采樣電壓總是等于參考電壓,Vo*R2/(R2+R1)=Vref懊蒸。

忽略交流開關(guān)損耗荣倾,Q1和D1導(dǎo)通壓降為1V,效率

Efficiency=Po/(Po+Ploss)=VoIo/(VoIo+1*Io)=V/(V+1)

附:電感計算公式 L=5(Vdc-Vo)*VoT/(Vdcn*Ion)

dI=(I2-I1)Ion骑丸,I2逃呼,I1為電流pk-pk值

電感ESR=Vrr/dI

輸出電容選擇Co=65*10-6*(0.2Ion/Vrr)

例,Buck調(diào)整器開關(guān)頻率為25KHz者娱,Vdc=20V,Vo為5V苏揣,Ion=5A黄鳍,要求電流10%負載,工作紋波電壓Vrr小于50mV

L=5(20-5)5*40*10-6/(20*5)=150uH

dI= 0.2Ion=1A

ESR=0.05/1=0.05Ω

Boost


當(dāng)Q1導(dǎo)通時平匈,電流通過L1下端通過整流二極管D1輸送給輸出電容Co和負載框沟,Co需足夠大。

當(dāng)Q1截止時增炭,由于電感電流不能突變忍燥,L1電壓極性瞬間顛倒,L1異名端相對同名端為正隙姿,L1 上方為Vdc梅垄,下方電壓升高高于Vo,且L1經(jīng)D1向Co充電输玷,使Co兩端電壓高于Vdc队丝,此時電感儲能給負載提供電流,并補充Co單獨向負載供電時損失的電荷欲鹏,Vdc在關(guān)斷時也向負載提供能量机久。

若直流負載電流上升,則導(dǎo)通時間會自動增加赔嚎,為負載提供更多能量膘盖,若Vdc下降而Ton不變,則峰值電流即L1的儲能會下降尤误,導(dǎo)致輸出電壓下降侠畔,負反饋檢測到電壓下降,通過增大Ton來維持輸出電壓恒定损晤。

charge pump


CFLY電容兩端電動勢通過開關(guān)控制形成倍壓践图,應(yīng)用于耗電流低功耗低的應(yīng)用場景。

反極性Boost


Q1導(dǎo)通時沉馆,Vdc給電感充電码党,D1負極為Vdc德崭,二極管截止。

Q1關(guān)斷時揖盘,Lo的電壓極性反向以保持電流方向不變味咳,C0充電,電壓極性為下正上負宵距。

反極性調(diào)整器在消費類應(yīng)用較少岔留,在此不做介紹。

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