应用笔记140 第1/3部分：线性调节器和开关模式电源的基本概念
作者：adi公司 henry j. zhang
摘要
本文介绍线性稳压器和开关模式电源（smps）的基本概念。主要面向不太熟悉电源设计和选择的系统工程师。还介绍了线性稳压器和smps的基本工作原理并讨论了每个解决方案的优缺点。此外，以降压转换器为例进一步说明了开关稳压器的设计考虑因素。
简介 当今的电子系统设计需要越来越多的供电轨和供电解决方案，负载范围从备用电源的几ma到asic稳压器的100a以上不等。为目标应用选择合适的解决方案并满足指定的性能要求至关重要，如高效率、紧密印刷电路板（pcb）空间、准确的输出电压调节、快速瞬态响应、低解决方案成本等。对于许多可能没有强大电源技术背景的系统设计者来说，电源管理设计工作变得越来越频繁，越来越具有挑战性。
电源转换器从给定输入电源为负载生成输出电压和电流。它需要在稳态和瞬态条件下满足负载电压或电流调节要求。还必须在组件出现故障时保护负载和系统。根据具体应用，设计人员可选择线性稳压器（lr）或开关模式电源（smps）解决方案。为了更好地选择解决方案，设计人员必须熟悉各种方法的优点、缺点和设计考虑因素。
本文重点关注非隔离电源应用，并介绍其操作和设计基础知识。
线性稳压器 线性稳压器的工作原理
我们先来举个简单的例子。在嵌入式系统中，前端电源提供一个12v总线供电轨。而在系统板上，运算放大器需要3.3v供电电压。产生3.3v电压最简单的方式是对12v总线使用电阻分压器，如图1所示。效果好吗？答案通常是否定的。在不同的工作条件下，运算放大器的vcc引脚电流可能有所不同。 如果使用固定电阻分压器，ic vcc电压会随着负载的不同而不同。而且，12v总线输入可能调节不佳。同一系统中可能有多个其他负载共用12v供电轨。由于总线阻抗，12v总线电压随总线负载条件而变化。因此，电阻分压器无法向运算放大器提供经过调节的3.3v电压，来确保正常运行。因此，需要专用电压调节环路。如图2所示，反馈环路需要调节顶部电阻r1值，以便在vcc上动态调节3.3v。
图1.电阻分压器从12v总线输入生成3.3vdc
图2.反馈环路调整串联电阻r1值以调节3.3v
使用线性稳压器可实现这种可变电阻，如图3所示。线性稳压器以线性模式操作双极性或场效应功率晶体管（fet）。因此，晶体管作为可变电阻与输出负载串联。为建立反馈环路，从概念上讲，误差放大器通过采样电阻网络ra和rb检测直流输出电压，然后将反馈电压vfb与基准电压vref进行比较。误差放大器输出电压通过电流放大器驱动串联功率晶体管的基极。当输入vbus电压减小或负载电流增大时，vcc输出电压下降。反馈电压vfb也下降。因此，反馈误差放大器和电流放大器产生更多的电流馈入晶体管q1的基极。这就减少了压降vce，而恢复vcc输出电压，使vfb等于vref。而另一方面，如果vcc输出电压增加，负反馈电路也会增加vce，确保精确调节3.3v输出。总而言之，vo的任何变化都会被线性稳压器晶体管的vce电压吸收。因此，输出电压vcc始终保持恒定，并得到良好的调节。
图3.线性稳压器实现可变电阻以调节输出电压
为何使用线性稳压器？ 很长一段时间以来，线性稳压器一直广泛应用于工业领域。在开关模式电源自20世纪60年代问世普及之前，线性稳压器始终是电源行业的基础元件。即便是今天，线性稳压器仍然广泛应用于各种应用领域。
除了使用简单，线性稳压器还具有其他性能优势。电源管理供应商开发了许多集成式线性稳压器。典型的集成式线性稳压器仅需vin、vout、fb和可选gnd引脚。图4显示了20多年前adi公司开发的典型3引脚线性稳压器lt1083。仅需1个输入电容、1个输出电容和2个反馈电阻即可设置输出电压。几乎任何电气工程师都可以使用这些简单的线性稳压器来设计电源。
图4.集成式线性稳压器示例：只有3个引脚的7.5a线性稳压器
一个缺点——线性稳压器非常耗电 使用线性稳压器的一个主要缺点是其串联晶体管q1在线性模式下工作的功耗过高。如前所述，线性稳压器晶体管从概念上讲是一个可变电阻。由于所有负载电流都必须通过串联晶体管，其功耗为ploss = （vin – vo） •io。在这种情况下，线性稳压器的效率可通过以下公式快速估算：
因此，在图1的示例中，当输入为12v，输出为3.3v时，线性稳压器效率只有27.5%。在该例中，72.5%的输入功率被浪费，并在稳压器中产生热量。这意味着，晶体管必须具有散热能力，以便在最大vin和满负载的最坏情况下处理功耗和散热问题。因此，线性稳压器及其散热器的尺寸可能很大，特别是当vo比vin小很多时。图5显示线性稳压器的最大效率与vo/vin比率成正比。
图5.最大线性稳压器效率与vo/vin比率
另一方面，如果vo接近vin，则线性稳压器的效率很高。但是，线性稳压器（lr）还有一个限制，即vin和vo之间的最小电压差。lr中的晶体管必须在线性模式下工作。因此，双极性晶体管的集电极到发射极或fet的漏极到源极之间需要一定程度的最小压降。如果vo太接近vin，lr可能就无法调节输出电压。能够以低裕量（vin – vo）工作的线性稳压器称为低压差稳压器（ldo）。
很明显，线性稳压器或ldo只能提供降压dc/dc转换。在需要vo电压比vin电压高，或需要从正vin电压获得负vo电压的应用中，线性稳压器显然不起作用。
均流线性稳压器实现高功率［8］ 对于需要更多功率的应用，必须将稳压器单独安装在散热器上以便散热。在全表面贴装系统中，这种做法不可行，因此功耗限制（例如1w）会限制输出电流。遗憾的是，要直接并联线性稳压器来分散产生的热量并不容易。
用精密电流源替换图3所示的基准电压，能够直接并联线性稳压器以分散电流负载，由此分散ic上消散的热量。这样就能够在高输出电流、全表面贴装应用中使用线性稳压器，在这些应用中，电路板上的任何一个点都只能消散有限的热量。
adi公司的lt3080是首个可调线性稳压器，可并联使用以增加电流。如图6所示，其精密零tc 10µa内部电流源连接到运算放大器的非反相输入。通过使用外部单电压设置电阻rset，可将线性稳压器的输出电压从0v调节到（vin – vdropout）。
图6.具有精密电流源基准的单电阻设置ldo lt3080
图7显示了并联lt3080实现均流有多简单。只需将lt3080的set引脚连接在一起，两个稳压器的基准电压就相同。由于运算放大器经过精密调整，调整引脚和输出之间的失调电压小于2mv。在这种情况下，只需10mω镇流电阻（小型外部电阻和pcb走线电阻之和）即可平衡负载电流，且均流超过80%。还需要更多功率？并联5到10个设备也是合理的。
图7.并联两个lt3080线性稳压器以增加输出电流
更适合使用线性稳压器的应用 在许多应用中，线性稳压器或ldo可提供出色的开关电源解决方案，包括：
1.简单/低成本解决方案：线性稳压器或ldo解决方案简单易用，特别适用于热应力不太重要的具有低输出电流的低功耗应用。无需使用外部电源电感。
2.低噪声/低纹波应用：对于噪声敏感型应用，如通信和射频器件，尽可能减少电源噪声非常重要。线性稳压器的输出电压纹波很低，因为不会频繁开关元件，但带宽很高。因此，几乎没有emi问题。一些特殊的ldo（如adi lt1761 ldo系列）在输出端的噪声电压低至20μvrms。smps几乎无法达到这种低噪声电平。即使采用极低esr电容，smps通常也有1mv输出纹波。
3.快速瞬态应用：线性稳压器反馈环路通常在内部，因此无需外部补偿。一般来说，线性稳压器的控制环路带宽比smps更宽，瞬态响应更快。
4.低压差应用：对于输出电压接近输入电压的应用，ldo可能比smps更高效。还有超低压差ldo （vldo），如adi ltc1844、lt3020和ltc3025，其压差为20mv至90mv，电流高达150ma。最小输入电压可低至0.9v。由于lr中没有交流开关损耗，因此lr或ldo的轻负载效率类似于其满负载效率。由于交流开关损耗，smps通常具有更低的轻负载效率。在轻负载效率同样重要的电池供电应用中，ldo提供的解决方案比smps更好。
综上所述，设计人员使用线性稳压器或ldo是因为它们简单、噪声低、成本低、易于使用并提供快速瞬态响应。如果vo接近vin，ldo可能比smps更高效。
［未完待续］
参考资料
［1］ v. vorperian，“对使用pwm开关模式的pwm转换器的简化分析：第i部分和第ii部分”，ieee transactions on aerospace and electronic systems，1990年3月，第26卷，第2期。
［2］ r. b. ridley， b. h. cho， f. c. lee，“对多环路控制开关稳压器的环路增益的分析和解读”，ieee transactions on power electronics，第489-498页，1988年10月。
［3］ h. zhang，“开关模式电源的模型和回路补偿设计”，凌力尔特应用笔记an149，2015年。
［4］ h. dean venable，“控制系统的最佳反馈放大器设计”，venable技术文献。
［5］ h. zhang，“使用ltpowercad设计工具分五个简单的步骤设计电源”，凌力尔特应用笔记an158，2015年。
［6］ www.linear.com/ltpowercad上的ltpowercad™设计工具。
［7］ h. zhang，“非隔离式开关电源的pcb布局考虑因素”，凌力尔特公司的应用笔记136，2012年。
［8］ r. dobbkin，“低压差稳压器可直接并联以散热”，lt journal of analog innovation，2007年10月。
［9］ c. kueck，“电源布局和emi”，凌力尔特应用笔记an139，2013年。
［10］ m. subramanian、t. nguyen和t. phillips，“高电流电源低于毫欧的dcr电流检测和精确多相均流”，lt journal，2013年1月。
［11］ b. abesingha，“快速精确的降压dc-dc控制器在2mhz下直接将24v转换为1.8v”，lt journal，2011年10月。
［12］ t. bjorklund，“高效率4开关降压-升压控制器提供精确输出限流值”，凌力尔特设计笔记499。
［13］ j. sun、s. young和h. zhang，“µmodule稳压器适合15mm × 15mm × 2.8mm、4.5v-36vin至0.8v-34v vout的（接近）完整降压-升压解决方案”，lt journal，2009年3月。
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摘要
本文介绍线性稳压器和开关模式电源（smps）的基本概念。主要面向不太熟悉电源设计和选择的系统工程师。还介绍了线性稳压器和smps的基本工作原理并讨论了每个解决方案的优缺点。此外，以降压转换器为例进一步说明了开关稳压器的设计考虑因素。
简介 当今的电子系统设计需要越来越多的供电轨和供电解决方案，负载范围从备用电源的几ma到asic稳压器的100a以上不等。为目标应用选择合适的解决方案并满足指定的性能要求至关重要，如高效率、紧密印刷电路板（pcb）空间、准确的输出电压调节、快速瞬态响应、低解决方案成本等。对于许多可能没有强大电源技术背景的系统设计者来说，电源管理设计工作变得越来越频繁，越来越具有挑战性。
电源转换器从给定输入电源为负载生成输出电压和电流。它需要在稳态和瞬态条件下满足负载电压或电流调节要求。还必须在组件出现故障时保护负载和系统。根据具体应用，设计人员可选择线性稳压器（lr）或开关模式电源（smps）解决方案。为了更好地选择解决方案，设计人员必须熟悉各种方法的优点、缺点和设计考虑因素。
本文重点关注非隔离电源应用，并介绍其操作和设计基础知识。
线性稳压器 线性稳压器的工作原理
我们先来举个简单的例子。在嵌入式系统中，前端电源提供一个12v总线供电轨。而在系统板上，运算放大器需要3.3v供电电压。产生3.3v电压最简单的方式是对12v总线使用电阻分压器，如图1所示。效果好吗？答案通常是否定的。在不同的工作条件下，运算放大器的vcc引脚电流可能有所不同。 如果使用固定电阻分压器，ic vcc电压会随着负载的不同而不同。而且，12v总线输入可能调节不佳。同一系统中可能有多个其他负载共用12v供电轨。由于总线阻抗，12v总线电压随总线负载条件而变化。因此，电阻分压器无法向运算放大器提供经过调节的3.3v电压，来确保正常运行。因此，需要专用电压调节环路。如图2所示，反馈环路需要调节顶部电阻r1值，以便在vcc上动态调节3.3v。
图1.电阻分压器从12v总线输入生成3.3vdc
图2.反馈环路调整串联电阻r1值以调节3.3v
使用线性稳压器可实现这种可变电阻，如图3所示。线性稳压器以线性模式操作双极性或场效应功率晶体管（fet）。因此，晶体管作为可变电阻与输出负载串联。为建立反馈环路，从概念上讲，误差放大器通过采样电阻网络ra和rb检测直流输出电压，然后将反馈电压vfb与基准电压vref进行比较。误差放大器输出电压通过电流放大器驱动串联功率晶体管的基极。当输入vbus电压减小或负载电流增大时，vcc输出电压下降。反馈电压vfb也下降。因此，反馈误差放大器和电流放大器产生更多的电流馈入晶体管q1的基极。这就减少了压降vce，而恢复vcc输出电压，使vfb等于vref。而另一方面，如果vcc输出电压增加，负反馈电路也会增加vce，确保精确调节3.3v输出。总而言之，vo的任何变化都会被线性稳压器晶体管的vce电压吸收。因此，输出电压vcc始终保持恒定，并得到良好的调节。
图3.线性稳压器实现可变电阻以调节输出电压
为何使用线性稳压器？ 很长一段时间以来，线性稳压器一直广泛应用于工业领域。在开关模式电源自20世纪60年代问世普及之前，线性稳压器始终是电源行业的基础元件。即便是今天，线性稳压器仍然广泛应用于各种应用领域。
除了使用简单，线性稳压器还具有其他性能优势。电源管理供应商开发了许多集成式线性稳压器。典型的集成式线性稳压器仅需vin、vout、fb和可选gnd引脚。图4显示了20多年前adi公司开发的典型3引脚线性稳压器lt1083。仅需1个输入电容、1个输出电容和2个反馈电阻即可设置输出电压。几乎任何电气工程师都可以使用这些简单的线性稳压器来设计电源。
图4.集成式线性稳压器示例：只有3个引脚的7.5a线性稳压器
一个缺点——线性稳压器非常耗电 使用线性稳压器的一个主要缺点是其串联晶体管q1在线性模式下工作的功耗过高。如前所述，线性稳压器晶体管从概念上讲是一个可变电阻。由于所有负载电流都必须通过串联晶体管，其功耗为ploss = （vin – vo） •io。在这种情况下，线性稳压器的效率可通过以下公式快速估算：
因此，在图1的示例中，当输入为12v，输出为3.3v时，线性稳压器效率只有27.5%。在该例中，72.5%的输入功率被浪费，并在稳压器中产生热量。这意味着，晶体管必须具有散热能力，以便在最大vin和满负载的最坏情况下处理功耗和散热问题。因此，线性稳压器及其散热器的尺寸可能很大，特别是当vo比vin小很多时。图5显示线性稳压器的最大效率与vo/vin比率成正比。
图5.最大线性稳压器效率与vo/vin比率
另一方面，如果vo接近vin，则线性稳压器的效率很高。但是，线性稳压器（lr）还有一个限制，即vin和vo之间的最小电压差。lr中的晶体管必须在线性模式下工作。因此，双极性晶体管的集电极到发射极或fet的漏极到源极之间需要一定程度的最小压降。如果vo太接近vin，lr可能就无法调节输出电压。能够以低裕量（vin – vo）工作的线性稳压器称为低压差稳压器（ldo）。
很明显，线性稳压器或ldo只能提供降压dc/dc转换。在需要vo电压比vin电压高，或需要从正vin电压获得负vo电压的应用中，线性稳压器显然不起作用。
均流线性稳压器实现高功率［8］ 对于需要更多功率的应用，必须将稳压器单独安装在散热器上以便散热。在全表面贴装系统中，这种做法不可行，因此功耗限制（例如1w）会限制输出电流。遗憾的是，要直接并联线性稳压器来分散产生的热量并不容易。
用精密电流源替换图3所示的基准电压，能够直接并联线性稳压器以分散电流负载，由此分散ic上消散的热量。这样就能够在高输出电流、全表面贴装应用中使用线性稳压器，在这些应用中，电路板上的任何一个点都只能消散有限的热量。
adi公司的lt3080是首个可调线性稳压器，可并联使用以增加电流。如图6所示，其精密零tc 10µa内部电流源连接到运算放大器的非反相输入。通过使用外部单电压设置电阻rset，可将线性稳压器的输出电压从0v调节到（vin – vdropout）。
图6.具有精密电流源基准的单电阻设置ldo lt3080
图7显示了并联lt3080实现均流有多简单。只需将lt3080的set引脚连接在一起，两个稳压器的基准电压就相同。由于运算放大器经过精密调整，调整引脚和输出之间的失调电压小于2mv。在这种情况下，只需10mω镇流电阻（小型外部电阻和pcb走线电阻之和）即可平衡负载电流，且均流超过80%。还需要更多功率？并联5到10个设备也是合理的。
图7.并联两个lt3080线性稳压器以增加输出电流
更适合使用线性稳压器的应用 在许多应用中，线性稳压器或ldo可提供出色的开关电源解决方案，包括：
1.简单/低成本解决方案：线性稳压器或ldo解决方案简单易用，特别适用于热应力不太重要的具有低输出电流的低功耗应用。无需使用外部电源电感。
2.低噪声/低纹波应用：对于噪声敏感型应用，如通信和射频器件，尽可能减少电源噪声非常重要。线性稳压器的输出电压纹波很低，因为不会频繁开关元件，但带宽很高。因此，几乎没有emi问题。一些特殊的ldo（如adi lt1761 ldo系列）在输出端的噪声电压低至20μvrms。smps几乎无法达到这种低噪声电平。即使采用极低esr电容，smps通常也有1mv输出纹波。
3.快速瞬态应用：线性稳压器反馈环路通常在内部，因此无需外部补偿。一般来说，线性稳压器的控制环路带宽比smps更宽，瞬态响应更快。
4.低压差应用：对于输出电压接近输入电压的应用，ldo可能比smps更高效。还有超低压差ldo （vldo），如adi ltc1844、lt3020和ltc3025，其压差为20mv至90mv，电流高达150ma。最小输入电压可低至0.9v。由于lr中没有交流开关损耗，因此lr或ldo的轻负载效率类似于其满负载效率。由于交流开关损耗，smps通常具有更低的轻负载效率。在轻负载效率同样重要的电池供电应用中，ldo提供的解决方案比smps更好。
综上所述，设计人员使用线性稳压器或ldo是因为它们简单、噪声低、成本低、易于使用并提供快速瞬态响应。如果vo接近vin，ldo可能比smps更高效。
［未完待续］
参考资料
［1］ v. vorperian，“对使用pwm开关模式的pwm转换器的简化分析：第i部分和第ii部分”，ieee transactions on aerospace and electronic systems，1990年3月，第26卷，第2期。
［2］ r. b. ridley， b. h. cho， f. c. lee，“对多环路控制开关稳压器的环路增益的分析和解读”，ieee transactions on power electronics，第489-498页，1988年10月。
［3］ h. zhang，“开关模式电源的模型和回路补偿设计”，凌力尔特应用笔记an149，2015年。
［4］ h. dean venable，“控制系统的最佳反馈放大器设计”，venable技术文献。
［5］ h. zhang，“使用ltpowercad设计工具分五个简单的步骤设计电源”，凌力尔特应用笔记an158，2015年。
［6］ www.linear.com/ltpowercad上的ltpowercad™设计工具。
［7］ h. zhang，“非隔离式开关电源的pcb布局考虑因素”，凌力尔特公司的应用笔记136，2012年。
［8］ r. dobbkin，“低压差稳压器可直接并联以散热”，lt journal of analog innovation，2007年10月。
［9］ c. kueck，“电源布局和emi”，凌力尔特应用笔记an139，2013年。
［10］ m. subramanian、t. nguyen和t. phillips，“高电流电源低于毫欧的dcr电流检测和精确多相均流”，lt journal，2013年1月。
［11］ b. abesingha，“快速精确的降压dc-dc控制器在2mhz下直接将24v转换为1.8v”，lt journal，2011年10月。
［12］ t. bjorklund，“高效率4开关降压-升压控制器提供精确输出限流值”，凌力尔特设计笔记499。
［13］ j. sun、s. young和h. zhang，“µmodule稳压器适合15mm × 15mm × 2.8mm、4.5v-36vin至0.8v-34v vout的（接近）完整降压-升压解决方案”，lt journal，2009年3月。
“2020华为生态合作伙伴走进和林格尔新区”活动成功举行
生物识别技术对金融行业有什么作用
360电话手表8xs怎么样?360 8XS评测拆解 发现一颗多模4G芯片
广电申请5G牌照入局移动通信市场 这事儿靠谱么？
半导体设备国产化迎黄金浪潮，封测设备赛道也“钱途”无量
应用笔记140 第1/3部分：线性调节器和开关模式电源的基本概念
物流机器人已成为下一个风口机遇
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互联网大数据和物联网大数据到底有什么不同之处
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如何通过ESP8266/nodemcu和Arduino IDE来获取时间
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高速PCB设计布线技巧
可控硅触发电路原理 可控硅触发电路的触发方式
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五部门发文：到2030年，10类关键核心产品可靠性水平达国际先进
密码货币的共识理论是怎么回事
HKM-400智能AR眼镜满足用户不同应用场景的佩戴需求
区块链治理如何解决供应链所面临的困境挑战