硬件工程師談電源經(jīng)驗分享-信盈達
時間：2018-11-25 00:00:00
來源：信盈達
作者：信盈達
談談電源
無疑電源設計是整個電路板最重要的一環(huán)。電源不穩(wěn)定，其他啥都別談。我想不用balabala述說它究竟有多么重要了。
在電源設計我們用得最多的場合是，從一個穩(wěn)定的“高”電壓得到一個穩(wěn)定的“低”電壓。這也就是經(jīng)常說的DC-DC(直流-直流)，而直流-直流中用得最多的電源穩(wěn)壓芯片有兩種，一種叫LDO(低壓差線性穩(wěn)壓器，我們后面說的線性穩(wěn)壓電源，也是指它)，另一種叫PWM(脈寬調(diào)制開關電源，我們在本文也稱它開關電源)。我們常常聽到PWM的效率高，但是LDO的響應快，這是為什么呢?別著急，先讓我們看看它們的原理。
下面會涉及一些理論知識，但是依然非常淺顯易懂，如果你不懂，嘿嘿，得檢查一下自己的基礎了。
一、線性穩(wěn)壓電源的工作原理
如圖是線性穩(wěn)壓電源內(nèi)部結構的簡單示意圖。我們的目的是從高電壓Vs得到低電壓Vo。在圖中，Vo經(jīng)過兩個分壓電阻分壓得到V+，V+被送入放大器(我們把這個放大器叫做誤差放大器)的正端，而放大器的負端Vref是電源內(nèi)部的參考電平(這個參考電平是恒定的)。放大器的輸出Va連接到MOSFET的柵極來控制MOSFET的阻抗。Va變大時，MOSFET的阻抗變大;Va變小時，MOSFET的阻抗變小。MOSFET上的壓降將是Vs-Vo。
現(xiàn)在我們來看Vo是怎么穩(wěn)定的，假設Vo變小，那么V+將變小，放大器的輸出Va也將變小，這將導致MOSFET的阻抗變小，這樣經(jīng)過同樣的電流，MOSFET的壓差將變小，于是將Vo上抬來抑制Vo的變小。同理，Vo變大，V+變大，Va變大，MOSFET的阻抗變大，經(jīng)過同樣的電流，MOSFET的壓差變大，于是抑制Vo變大。
二、開關電源的工作原理
如上圖，為了從高電壓Vs得到Vo，開關電源采用了用一定占空比的方波Vg1，Vg2推動上下MOS管，Vg1和Vg2是反相的，Vg1為高，Vg2為低;上MOS管打開時，下MOS管關閉;下MOS管打開時，上MOS管關閉。由此在L左端形成了一定占空比的方波電壓，電感L和電容C我們可以看作是低通濾波器，因此方波電壓經(jīng)過濾波后就得到了濾波后的穩(wěn)定電壓Vo。Vo經(jīng)過R1、R2分壓后送入第一個放大器(誤差放大器)的負端V+，誤差放大器的輸出Va做為第二個放大器(PWM放大器)的正端，PWM放大器的輸出Vpwm是一個有一定占空比的方波，經(jīng)過門邏輯電路處理得到兩個反相的方波Vg1、Vg2來控制MOSFET的開關。
三、線性穩(wěn)壓電源和開關電源的比較
懂得了線性穩(wěn)壓電源和開關電源的工作原理之后，我們就可以明白為什么線性穩(wěn)壓電源有較小的噪聲，較快的瞬態(tài)響應，但是效率差;而開關電源噪聲較大，瞬態(tài)響應較慢，但效率高了。
線性穩(wěn)壓電源內(nèi)部結構簡單，反饋環(huán)路短，因此噪聲小，而且瞬態(tài)響應快(當輸出電壓變化時，補償快)。但是因為輸入和輸出的壓差全部落在了MOSFET上，所以它的效率低。因此，線性穩(wěn)壓一般用在小電流，對電壓精度要求高的應用上。
而開關電源，內(nèi)部結構復雜，影響輸出電壓噪聲性能的因數(shù)很多，且其反饋環(huán)路長，因此其噪聲性能低于線性穩(wěn)壓電源，且瞬態(tài)響應慢。但是根據(jù)開關電源的結構，MOSFET處于完全開和完全關兩種狀態(tài)，除了驅(qū)動MOSFET，和MOSFET自己內(nèi)阻消耗的能量之外，其他能量被全部用在了輸出(理論上L、C是不耗能量的，盡管實際并非如此，但這些消耗的能量很小)。
