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[经验] 电源的PCB设计

2019-7-3 04:20:27  275 罗姆 电源 PCB
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因为在PCB设计中运放的实际使用,电源是非常关键的。电源设计的好坏对性能影响很大,尤其是开关的电源,很多人不懂开关电源情况下,PCB设计中会犯很大错误的,导致开关电源性能达不到想要的效果,反而导致了很多问题。所以用不好开关电源的情况下,宁可用线性电源。电源的PCB设计一定要遵循上一讲的PCB设计。

1、线性电源

        上边电路是简单的比较常用的线性电源图。线性电源是起源比较早的,比如电视机等家用电器上会有这样的电路,还有一些电瓶的充电器。当时还没有开关电源,所以往往是220伏经过变压器降压之后,再整流滤波之后通过调整管,上图中的3DD15C(这是国产一个型号NPN的功率管,一般都是金属外壳),Ds7.5V是个参考电压源(稳压电源),R4是可调节的,Ds上方的参考电压是7.5伏加上 R4基极三极管PN节压降0.7伏,那么R4可调节电阻处就在8伏附近的电压,那么经过R3,R4,R5比例分压我们可以得到输出处的电压值。
        我们来看下是否满足负反馈条件,当输出电压升高,R4电压高,Ds电压不变(7.5伏),三极管基极电压高,三极管导通,三极管集电极电压降低,左侧下边三极管基极电压降低,这个三极管上边三极管是射极跟随电路,3DD15射极电压降低,于是实现了负反馈。
        那这个电路,跟鼎鼎大名的LM7805是同一套电路,这个电源电路的射极跟随电路就是一个负反馈,可以理解为一个负反馈的运放。只不过加了个基准电压源而已(Ds7.5V),其中的控制系统必须用一个大功率的NPN的管子(3DD15)。
        上边说的是这个线性电源的基本原理,前边是一个滤波电容,后边是一个滤波电容就可以了。

2、线性电源LM7805 2.1、LM7805内部电路简析
        那么这类线性电源的芯片呢,就是下边的LM78系列的芯片了。

        LM7805最低输出电压是5伏,也有9伏、12伏、15伏、18伏、24伏,上图左侧是LM7805的内部结构图,因为不同厂家的78系列它的内部结构是有点差异的

        上图所标是调整管部分。跟前边线性电路中射极跟随电路是等价的。

        上图所标位置是限流保护,电流太大通过这个电阻做保护。

        参考经过分压再反馈回去

        上图是过压保护,输入电压太高,这里会起保护作用

        上图是温度保护

2.2、LM7808的基本参数
        *输出电压:5、6、7、8、9、10、12、15、18、24
        *输入电压:35V(LM7824支持40V输入)
        *输出电流:1A(TO220
        *散热封装:TO-3、TO-220、TO-262、TO-223、D-PAK

        第一个封装器件,是金属壳分装的,这个已经很老了,并且也很贵。我们最常用的是TO-220封装的

2.3、LM7805的关键指标
        作为电源来说它是会发热的,所以封装非常关键,我们很多芯片可能不考虑封装,因为它发热量不大,但是对于电源芯片来说封装是非常关键的。
        *最高工作温度:125度,一般电源芯片都在125度最高工作温度
        *封装温升(TO-220):65度/W(空气),不同封装决定了它的温升,这个是TO-220这个封装,芯片自身产生1W的时候,它的温升是65度,这是很厉害的,这是指它独立的时候。如果有散热器的话1W对应的温升就没这么高了。
        *输入输出最小压差:2.5V,这是个很重要的指标,最小不低于2.5V,也就是说30伏的输出最多能输出29伏,根据上边的原理图,两个三极管子分掉电压就是1伏,电压是从温度保护电路过来,所以又有一个压降,所以输出又有个减低,性能达到一个可观的情况必须扣掉2.5伏,30伏输入最高也就输出27.5伏。比如我们想要得到一个12伏的电源,那么我们的输入必须是14.5伏最低这么大的输入(LM7812)。
        *输出电压范围(LM7805):4.8—5.2V,LM7805输出是5伏,那么它的输出是有电压范围的,并不是100%输出5伏的。它有个精度范围的。这个精度范围受制于它输出的负载,还有输入的电压,都有一定的影响。
        *其它指标参考PDF文档

2.4、LM78系列的局限性
        *NPN达林顿管三极管,高压差:2.5V
        *高静态电流:5.0mA,就是芯片不工作也需要消耗5mA的电流
        *低电压低功耗设备兴起:手机、平板(不适用这些场合)
        *低电压低功耗芯片的普及:ARMFPGA等3.3V、2.8V、1.8V、1.2V(不适用这些场合)
        由于历史背景很早,变压器时代的,比如变压器降压等流时代用的或者应用于电视机的。

        由于上边局限性,线性电源继续进化。

3、线性电源AMS1117系列
        随着单片机之类芯片兴起,数字电路兴起这些微功耗的场合,还有一些低电压的场合,那就需要出现一些3.3V系列的,比如1.8、2.5、2.8这些供电电压要求的,于是出来了AMS1117系列的电源。AMS1117系列要求工作在低电压上,那么输出电压就比较低,输出电压比较低的话要节能,压差就不能太大,比如输出3.3伏,那么压差如果是2.5伏的话像LM7805一样,那3.3加2.5等于5.8伏了,但是一般我们3.3伏的供电一般都是5伏供电(输入),所以说这个时候用LM7805着个芯片就不适用了。于是设计人员经过改进。我们LM78系列使用2个NPN的三级管,那么把第一级的NPN换成了PNP,组成了一个PNP类型的达林顿管。如下节的AMS1117内部电路图
3.1、AMS1117内部电路简析

        PNP类型的压降就小了很多,比如一级的基极压差是低,那么三极管导通(导通压降0.3伏),二级压降0.5—0.7伏的话,压差只需要1伏就够了,所以这里改进最大的优点就是降低了输入输出之间的最低压差。那么一级用PNP又引入了一个缺点,PNP的三极管耐压不高,也就是我的输入只能是10几伏,不能达到30伏了。往往应用于低电压场合,低电压场合追求的是效率,所说追求的是低压差,这种改进是非常有意义的。于是AMS1117大量的兴起,在ARM3.3伏的应用中AMS1117用量是最大的。
3.2、AMS1117基本参数
        *输出电压:1.5V、18V、2.5V、2.8V、3.3V、5.0V
        *输入电压:15V
        *输出电流:800mA(SOT—223),这里边强调一下,这里并不是说它在800mA下工作,它只具备800mA的电流,能不能在800mA下工作取决于他的发热量。假如输入电压是15伏,输出电压假如是5伏,那么1117的压降就是10伏,这种情况下假如能够承受的发热量是1W,那么这个时候他通过的电流只能是100mA了,功率的电压*电流。实际上对于1117来说SOT-223发热量也就在1W附近。

        *散热封装:TO—223、TO—252、SO—8

3.3、AMS1117关键参数
        *最高工作温度:125度
        *封装温升(TO—2223[SOT-223]):90度/W(空气),消耗1W产生温升可以达到90度,比如我们常温下也就30度,30+90就是120度,所以如果是裸露的话TO-223封装的话(没有PCB散热的情况下),基本上工作温度差不多到极限了,如果有PCB散热的话,那么每W的温升也就40-50度,那么30+40—50也有70-80度了,手摸上去已经烫手了,虽然说不至于烧,但也烫手了,所以也算是到极限了,所以说你不能让电源芯片一直工作在极限温度上吧。电源上所标的输出电流,只能说它具有这个能力,但是真正达到多少电流取决于它身上的压降,也就是输入电压减去输出电压*工作的电流就是产生的发热量找到每度产生的热,一般来说如果没有散热器的情况下(空气条件30度),我们高估一点,比如说每瓦90度的话,30+90=120也就是到达极限了,那么我们就认为1117最高也就承受1瓦。所以我们设计的1117消耗的功耗,不要超过极限的0.5瓦,电源芯片尽可能多留些余量。否则哪一天买到质量差一点的就爆掉了。如果PCB散热条件好的话,问题就不太大了。
        *输入输出最小压差:1.0V,1117很适合输入5伏输出3.3伏的场合
        *输出电压范围(AMS1117-3.3):3.267—3.333V,这个可以看到它比LM78系列精度高了很多
        *其它指标参考PDF文档

        这个芯片有个缺点,比如输出3.3伏,那么加1伏的压差就是4.3伏了,我们知道锂电池是3.4—4.2伏,一般取下限,3.4(因为工作不可能工作在4.2上),锂电池刚开始用4.2,那么随着使用变成3.8,3.7将到3.4,一般3.4是锂电池的最低限。但是很多ARM芯片工作在3.3伏上,由于压差的问题,所以1117不适合用于锂电池供电的系统场合。

3.4、AMS1117系列的局限性
        *PNP达林顿三极管,中等压差:1.0V
        *高静电电流:5.0mA
        *移动设备的兴起,需要用锂电池3.4—4.2V供电,需要极低的功耗,极低的压差。(不适合)

        由于上边局限性,线性电源继续进化。

4、LDO系列
        由于AMS1117的芯片缺陷,于是我们开发出了基于CMOS技术的LDO(low drop positive voltage,低压差输出电源),
4.1、LDO内部电路简析

        上图就是LDO内部等效电路,标记处使用的就是一个Pmos管,当ErrorAmp输出低电平的时候,PMOS管导通,那么压差几乎趋向于零,也就是保护电阻压差和PMOS管自身的压差。这里边Thermal Protection是热保护,ErrorAmp误差放大,OverCurrentShutDown过流检测。EN是控制引脚,那么LDO一般输出1.2V、1.8V、2.5V、2.8V、3.0V、3.3V,其中3.3V是最常用的。手机上之前常使用的是2.8伏,因为手机的一般端口都是2.8伏,实际上2.8伏的电压和3.3伏的电压是兼容的,因为它们两个压差差0.5伏,所以可以兼容的。所以手机为了省电取了3.3伏的下限。
        由于LDO使用CMOS做的,尤其主控MOS管用的是PMOS,所以说它的输入电压不能很高,最高是5.5伏。所以说特别适合于用锂电池的场合,但是它的输入电压最高有5.5V所以在插入一些USB的设备中容易坏,因为有些USB设备它的供电可能超过5.5V,有可能 引起损坏,但这种概率并不高。

4.2、LDO基本参数
        *输出电压:1.2V、1.8V、2.5V、2.8V、3.0V、3.3V
        *输入电压:5.5V
        *输出电流:300mA(SOT—23)
        *散热封装:SOT—23,SC70

        LDO封装一般常用的就是SOT—23封装,比较小的(上左图),SC70也用过但是比较少见。
        它的电流是300mA(SOT—23),那么我们算下它的发热量,比如我们输入电压是5伏,输出是3伏的话,那么压降就是2伏,SOT-23最大承受的也就是0.5瓦差不多,0.5瓦除以2伏,那么最高电流输出也就是250毫安,这是在5伏输入3伏输出的情况下。如果是5伏输入1.2输出的话,那这个电流就更小了,因为LDO自身压降有3.8伏,接近4伏了,那0.5瓦除以4就是125毫安。

4.3、LDO的关键参数
        *最高工作温度:125度
        *封装温升(SOT—23):130度/W(空气),每瓦对应的130度,刚才说了如果是0.5瓦的话,对应65度,比如本底是40度(因为有些设备壳子一包,空间温度可能30度,密封温升可能就升上去了,所以本底就是40度了,甚至更高),那么工作温度就是105度了,接近最高工作温度极限了,所以说SOT—23封装的自身产生功耗千万不要超过0.5瓦。而且SOT—23封装的只有一些脚印出来,也没法散热,所以可以把空气这个值直接拿进来计算。
        *输入输出最小压差:0.18V@300mA,这是在300mA情况下,最小压差是0.18V,因为MOS管导通时讲的是电阻值是多少,还不是讲的压降,随着不同的电流下,因为MOS管导通之后它加在MOS管D与S之间的电压取决于电流的大小的,在300mA下压降是0.18伏。那么我们在100mA下除以3的话那就是0.06伏了,而这个电流越大压降会越高,所以一般来说小电流的话压降就可能比较小了,也就是0.0几伏了。手机里大量使用LDO,因为它的工作电压是2.8伏,那锂电池最低电压是3.4伏要关机的话,3.4伏减去2.8伏还有余量0.6伏压差,那么这里0.18mA足够它用了。
        *静态电流:65uA,静态电流非常非常小,所以基本可以忽略不记。当然手机里边LDO大量使用一台手机LDO可能用到5-6个,那5-6个乘起来也不小,也接近0.3个mA了。
        *其它指标参考PDF文档

4.4、LDO系列的局限性
        *PMOS调整管,输入耐压较低,不能超过6V,使用局限性较大。一般用于锂电池供电或者5伏之类的USB供电场合,USB供电都有点危险。
        *智能手机的兴起,耗电提高,需要低压大电流,LDO的效率太低。智能手机的内核一般工作电压在1.2伏,比如说锂电池最低3.4伏输入的话,你输出1.2伏,这样效率太低,1.2/3.4效率才30%,锂电池的电流有很大,所以低压差这种线性电源效率太低了。

        由于LDO的局限性,技术又向前进一步

5、降压型开关电源
        线性电源,当输入和输出压差比较大的情况下,就存在效率问题,为了解决效率引入了开关电源,降压型开关电源又叫巴赫电路
5.1、降压型开关电源

        当开关导通的时候,MOS管导通,过来的电通过电感对电容C充电同时对负载R放电你,当开关关闭的时候,因为电感上已经有电流,电感的电流不能突变,它必须要续流因为它的能量要释放掉,于是通过二极管D持续续流,于是把电感上的能量释放给电容,通过电容给到负载R,当然续流是同时给C和R的,那么可以理解为当MOS管导通的时候,这个电压加在电感和负载上,因为电容电压不能突变,那么多余的电压就加在了电感上,因为电压加在电感上,电感的电流要慢慢增加,因为根据公式电感上的电流等于电压除以电感量,电流慢慢线性上升;那么关闭的时候呢,电感上的能量要释放,然后通过D二极管续流释放对电容C和电阻放电,一部分电放到了电容上存储起来了慢慢消耗,有一部分直接消耗在负载R上。这里的二极管叫续流二极管。

5.2、LM25系列
        最经典的开关电源之后呢,继LM78系列之后也是国半开发出来的LM25系列。

5.3、LM2578内部电路简析

        图中上半电路是该芯片使用电路图,下边的图是将芯片内部等效电路展开来看了。输入电压是7—40V输入,通过开关芯片输出,有个续流二极管D1,输出电感L1(100uH),然后输出,输出还有个滤波电容,输出电压还要反馈回芯片;开关电源需要电感,输出因为电感体积比较大很难集成到芯片里边,所以一般放在外边,并且电感也会发热,过电感之后才反馈回去;引脚5是控制脚,低电平有效高电平无效,组成了一个5脚的开关电源。它相对于LM78系列来说,外部多了两个器件(续流二极管和电感),电感一般选择功率型电感,标配是100uH。它的输出可以达到5.0伏,3A,我们78系列同样的封装5伏输出的话电流也就1A,那么它却可以达到3A,这就是因为效率提高了电流就大。上图下半部是它的内部等效电路图。一般来说LM25系列的话我们就是把芯片直接贴在PCB板上,利用PCB板散热,基本上不怎么发热的,而LM78系列的话稍微压差一大,马上就发热很高,而25系列的话发热量并不高很低的,它电流就可以做得很大。所以说当接触LM25系列之后,基本上电源上都用LM25系列的。
        看上图下半部的表格,输出有3.3伏、5伏、12伏、15伏,还有可调的输出电压的。

        需要注意的一点是,LM25系列最大的缺点是需要一颗电感,电感选型很重要,一般我们不确定的情况下,电感就选择大一点,比如工作电流在1A的情况下,那电感一般要起码考虑过电流能够达到2A差不多的电感。电感选型要求着这几点:1、注意能过最大电流;2、电感量。电容的选择我们往往看2个指标,1、电容量;2、耐压值。电流又分两种,1、电阻产生的(线圈不是有电阻吗)发热量;2、磁饱和产生的发热量,但一般来说呢余量稍微取大一点的话关系不大。比如说工作电流要1A,那我取2A的电感就行了,稍微余量多一倍就足够了。那么实践中呢,放一个电感上去发现它发热了,温升太高发热了,那就马上换一个大一些的,大一个规格型号的放上去就可以了。同样续流二极管也一样,比如说1A的续流,一般起码要选用2A,因为开关电源它电流是个斜波,斜波的话实际上你工作在1A,可能工作在0-2A这个范围,就是斜波上去的,就是0随着时间增长到2A之后又到0这样反复变化,它是个斜波的开关式方案,或者有些时候呢不是从零开始从0.5到1.5再降下来0.5再到1.5这样的斜波,这个是分工作状态有些是连续的有些断续的        。
        电感选型就是        电感量和电流最大值
        电容选型就是        电容量和耐压值
        影响最大电流的两个地方,铜损(铜线的电阻发热)、磁损(磁芯的磁滞损耗)
        电感的  磁饱和,就是耐流
        电容的  耐压
        因为超过这个电流值,电感就失效了,等价于超过耐压,电容失效,一个概念

        其实,电容也有铜损,介质损耗
        如下表

电容
电感
导电材料
金属
金属
介质损耗
绝缘介质
导磁材料
极限
耐压
耐流


5.4、LM25系列基本参数
        *输出电压:3.3V、5V、12V、15V
        *输入电压:40V,还有个高压版本好像可以做到60伏附近
        *输出电流:3A(TO—220)
        *散热封装:TO—220,D2PAK
        下图前两个封装是比较常用的,D2PAK是最常用的(因为发热量不高,直接贴在PCB板子上的)。


        LM25最大确定是真货比较贵,7-8元一颗,并且市场上假货横行。

5.5、LM25系列关键参数
        *最高工作温度:125度
        *封装温升(TO—220):65度/W(空气)
        *输入输出最小压差:3V
        *效率:77%(12V输入,5V,0.5A输出)
        *开关频率:50KHz
        *静态工作电流:5.0mA
        *其它指标参考PDF文档

        LM25是基本上替代LM78系列的,利用它的高效率

5.6、LM25系列的局限性
        *NPN达林顿三极管,高压差:3V
        *高静态电流:50mA
        *低电压大电流芯片兴起:大型FPGA,CPU,1V电压,电流可以达到100A(不是用LM25系列,功率不够,效率也不够)
        *低电压低功耗设备兴起:手机、平板
        *低电压芯片的普及:ARM、FPGA等3.3V、2.8 V、1.8 V、1.2 V、1.0V

        那么电源继续进化,一个选择是MP1584

相关经验

lidalcp 2019-7-3 07:47:51
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vuwuerwxs 2019-7-3 07:55:31
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