从零学运放—10 电源演进过程

电源

`` 本帖最后由 NengLee 于 2017-5-4 10:05 编辑

从零学运放—10 电源演进过程

这一节我们讲下电源。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：ARM、FPGA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

``

黄海东 · 2017-6-13 19:24:05

感谢楼主分享

奕凡321 · 2017-11-29 09:08:30

分析得很详细，值得学习！！！

搜索历史

从零学运放—10 电源演进过程

相关推荐

2 条评论

评论

精选推荐

站长推荐 /6