常见电源电路（LDO、非隔离拓扑和隔离拓扑结构）

news2024/9/25 21:21:42

一、常见电路元件和符号

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二、DC-DC转换器

DC-DC转换器：即直流-直流转换器，分为三类：①线性调节器；②电容性开关解调器；③电感性开关调节器；
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2.1线性稳压器（LDO）

2.1.1 NMOS LDO

常见的LDO是由P管构成的，由于LDO效率比较低，因此一般输出大电流。针对某些大电流低压差需求的场合，NMOS LDO应运而生。
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上图是一个NMOS LDO的基本框图，NMOS LDO一般也工作在饱和区（特殊时会在可变电阻区），所以Vg要大于Vs，因此NMOS LDO除了有Vin引脚，一般还会有个Vbias引脚来给MOS G极提供高压驱动源；或者只有一个Vin，而内部集成了CHARGE BUMP来为G极提供高压驱动源。NMOS型LDO它采用了一对电阻来采样输出电压，并将其输送到误差放大器的输入端，与一个基准进行比较，然后在误差放大器中进行放大，最后产生一个电压信号来控制NMOS的G极。
在50mA和3A的负载电流下，NMOS型LDO需要的静态电流差不多，负载变化在一定程度上不会影响静态电流大小。这是因为NMOS只用电压信号控制即可，而电压信号不需要消耗到误差放大器本身的电流。因此，静态电流成为了NMOS型LDO最大的一个优势。

注：静态电流指的是在没有信号输入或外部刺激下，设备自身由于内部元件的工作而产生的电流。这种电流是在器件不受外界因素影响时自然存在的消耗电流。

2.1.2 PMOS LDO

相比NMOS型LDO ，由于NMOS的源极和G极之间的导通门限，它的输入与输出之间的压差必须要大于这个导通门限，这个压差是很大的。这时，我们就可以运用PMOS型LDO，来减少这一部分的使能。
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在PMOS里面我们需要G极电压低于源极电压才能让PMOS导通，并且这个压差必须大于PMOS的导通门限，才能够保证在整个范围里，误差放大器能够把PMOS的G极拉到合适的电压范围。由于主功率部分采用PMOS管，同样用电压来控制，因此，负载电流的变化，误差放大器的静态电流几乎也没有变化。可以看到，NMOS由于源极和G极之间这个导通门限，造成输入输出压差大的局限因素，PMOS型LDO驱动与它相比简单了许多。

2.1.3 LDO小结

①NMOS型LDO可以提供快速瞬态响应，但是需要两个偏置电源为器件供电。
②PMOS型LDO可以实现压降，并且能够在单电源下运行。不过，在低输入电压下会受到传输晶体管VGS特性的限制，与此同时，它们还不具备高性能LDO所提供的许多保护功能。
③常见的LDO 一般由P管构成，但LDO效率比较低，一般不走大电流应用。在一些大电流低压差的场景里，会使用N管类型的LDO。

2.1.4 LDO拓展

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LDO的架构更新：由电压基准转化为电流基准；
优势：①Vout输出可以至0V；②可以将多个电流基准的LDO并联获取更大的输出电流，从而得到更大的Vout；
为什么电压基准的LDO无法进行简单并联来升高Vout？
由于反馈电阻和OP的输出误差，两个LDO输出之间无法均流，电流提升很快的话很容易导致电路烧毁；
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为什么电流基准LDO输出端有10mΩ的电阻（通过走线Layout或者IC内部集成实现）?
当LDO并联时输出电流变高，走线电阻变高，总电流下降，起到均流的作用；

2.2 常见的非隔离电源拓扑电路结构

2.2.1 Buck工作电路

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续流管的作用：配合电感的感性负载使用，避免感性电流变大变小时产生突变电压，损坏电路；
续流管的选择：

电感的电流流向：
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电感电流工作方式：

以下是Buck电路的常见公式：
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2.2.2 Boost电路拓扑

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Boost 电路特点：

2.2.3 Buck-Boost电路拓扑

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2.2.4 电荷泵基本电路

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电荷泵电路一定需要飞电容的参与，利用更多或者更大的Cfly可以实现Vout=n Vin;

2.2.4.1 高效高功率密度降压器

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2.2.4.2 储能元件功能对比

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2.2.5 非隔离式电源电路小结

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2.3 隔离式开关拓扑电路结构

2.3.1 反激变换器

反激变换器：指使用反激高频变换器隔离输入输出之间的开关电源
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反激式变换器的应用：

典型的AC/DC反激构成：

2.3.2 正激变换器

正激变换器的种类：
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单管正激变换器：

双管正激变换器：

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2.3.3 漏感问题

产生Vout的Peak
如果没有钳位电路，实际会出现什么情况？
会产生漏感问题，输出产生尖峰Peak；

增加钳位吸收电路降低输出电压Peak（钳位吸收电路），对于TVS需要考虑它的钳位能力；

钳位电路原理解析：
交叉调整效率问题

2.3.4 隔离式开关拓扑电路总结

非隔离电源拓扑到隔离式电源拓扑的演变：
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磁芯的磁滞回线：

直流斩波电流工作状态：

反激和正激工作原理对比：
反激：初级工作，次级不工作，各自独立，一般选择DCM工作模式，变压器的电感比较小，需要考虑气隙问题，适用于中小功率；
正激：初级和次级一同工作，次级由于初级停止工作时续流电感工作产生续流，一般采用CCM工作模式（功耗较大），输入输出的和占空比成比例关系；
反激和正激复位机制对比：
正激：不能储能，由于励磁电感具有有限值，励磁电流使磁芯变大，避免磁通饱和需要辅助绕阻Lm进行磁通复位；
反激：输出电压极性相反，次级可以在开关断开时提供复位电压，不需要辅助绕组Lm；