电源⼤咖课基础篇

ADI电源系列（非常好）

【全系列】电源大咖课基础篇：开关电源/LDO/锂电池充电/电源路径/USB供电

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目录：

 效率及静态电流的测试：

　　　　输出测试（输出电压调整率、纹波、动态负载）

基础元器件原理特性及在电源电路中的选择：

　　　　电阻、电容、MOSFET、二极管、电感

线性稳压器LDO选择和使用技巧：

　　　　LDO、DCDC

 

 

 

效率及静态电流的测试：

why：静态电流决定待机时间的长短（锂电池供电的设备）

静态电流测试：⽤三位半的万⽤表测微安电流，串联10k电阻测电压，放⼤10k测量倍数

纹波如何产生？

 

 

输出测试：

1. 输出电压调整率：源、负载、温度变化时输出电压的稳定情况

2. 电源纹波测量 ：纹波是输出电压的波动（包含电源纹波和噪声）

为什么有纹波：因为直流电源一般是由交流电源经整流稳压等环节而形成的，这就不可避免地在直流稳定量中多少带有一些交流成份，这种叠加在直流稳定量上的交流分量就称之为纹波

示波器设置交流耦合：因为纹波是掺杂在直流稳定量中的交流成分，所以将示波器设置为交流耦合方式，用以隔除直流成分

20MHz：纹波频率通常不会超过20MHz，将示波器带宽设置为20MHz用以排除高频噪声干扰。

表示方法：电源纹波有两种表示方法，分为绝对量和相对量。绝对量即纹波波形的峰峰值，单位为mVp-p；相对量又称为纹波系数，即纹波电压/输出电压*100%。

　　20MHz带宽：示波器上都有一个带宽抑制功能，可以把示波器带宽抑制到20MHz，在测量纹波时，要打开这个功能。

　　最小的接地环：探头都有一个接地夹（接地弹簧），它与探头正极形成的环路，如果板子上的高频信号穿过，会在示波器上形成比噪声信号还要大的电压，因此测量纹波这种小信号时，一定要保证这个环路越小越好

　　测量位置：选择靠近负载的地方

 

 

电源纹波测试方法_recode123的博客-CSDN博客_电源纹波测试方法

如何测量电源纹波？ - 哔哩哔哩 (bilibili.com)

如何测量电源的纹波（一）_哔哩哔哩_bilibili

3. 动态负载测试

电子负载 

变化斜率

　　开关电源跳变的速度会导致输出电压的跳变，有低有高是因为电容充放电

 

 电容、电感对动态的影响：电容大 输出跳变会小，电感小 输出跳变会小

 

 

基础元器件原理特性及在电源电路中的选择

电阻：电阻值、功率

串并联所消耗的电阻功率是完全不同的，需要计算

常见贴片电阻的封装尺寸和功率的对应关系；温度变化对于电阻功率的影响很大

 

 特殊电阻-检流电阻：电阻非常小，串联在电源的输出端，两端的电压与待测电流成正比，用来检测电流

 

 

 

电容：

 

 

 

MOSFET

关键参数：

1 Drain-source 击穿电压 VBRDSS：要高于工作条件；与温度相关

2 导通电阻 RDS(on)：

　　Rds正温度系数，适合并联工作（并联时，由于Rds不同，电流不均等，大电流的mos发热厉害，其Rds也随之增加，迫使流过其的电流减小，另一个mos 的电流增大，最终达到一个热平衡）

　　导通电阻越小，导通损耗越小

　　导通电阻越小，Qg就越大，相应的开关速度变慢，带来的开关损耗越大， 高频工作下需要折中考虑（栅极电荷：导通时，栅极所需要的电荷量）

3 最大结温

　　只能测量壳温，然后通过热阻计算结温：Tj=热阻x输入功率+环境温度

4 动态电容和Qg

　　作为开关时希望快速打开，需要一个驱动芯片提供瞬时大电流

　　作为缓启动MOS，需要慢慢打开，有效抑制浪涌电流（电源接通瞬间，流入电源设备的峰值电流）

5 体二极管

　　n型和p型mos源极都和衬底直连。n型mos中，衬底是p，漏极是n，形成s向D的PN结，即二极管。P型mos体二极管方向相反

　　也有S和衬底不直连的（较少），s电位和基地b电位不同，故双极性mos，如右下图。

　　功率MOS基础，揭秘体二极管，这类管子却没有_哔哩哔哩_bilibili

　　作用：①区分源极漏极

　　　　    ②保护作用，出现大的瞬间反向电流，可以通过二极管排出不损伤MOS

　　　　    ③避免反接，如果反接则失去开关作用

　　

 

二极管

1 整流管：利用正向导通、反向截止特性，红色线；整流的主要目的是将交流转换为直流，如半波全波桥式整流

　　普通二极管：耐压高、正向压降大(损耗大）、反向恢复慢，不适合用于高频工作

　　超快恢复二极管：反向恢复快，适合高频

　　肖特基二极管：正向压降低、电压等级低（200v以下）、反向漏电流大；应用如防反接保护（反接二极管承受大电压）；

　　　　 一般的二极管在电流流过时，会产生约 0.7-1.7 伏特的电压降，不过肖特基二极管的电压降只有 0.15-0.45 伏特

　　　　肖特基二极管反向漏电流和温度的关系很大：温度越高，反向漏电流越大

　　　　肖特基二极管正向压降和温度的关系：负温度系数，温度高，正向压降变低

 

2 稳压管（齐纳二极管）

　　反接使用，利用反向击穿特性，使得反向导通后，电流变化很大而电压不变，多用于并联器件，保护器件电压

　　持续击穿，低功率应用

 

 

3 TVS管（Transient Voltage Supperssion）

　　功能和稳压管相同，区别是TVS是瞬间保护

　　瞬间击穿，高功率应用 

 

 

电感

 关键参数：

　　电感量

　　电感额定电流

　　电感饱和电流：一般比额定电流大，需要考虑电感的纹波电流

　　DCR：直流等效串联电阻，DCR越低，电阻损耗越小

　　低电感量-低DCR，高饱和电流，更好的动态，更大的纹波电流

　　大电感量，动态差，小纹波电流

　　电感量大小与纹波电压的关系：1uH是17mv，4.7uh是5mv（电感越大 通直阻交的能力越强，纹波越小）

 

 

 　　电感量大小与动态性能之间的关系：4.7uH 峰峰值430mv，1uH峰峰值50mv

 

 

 

 

 

 

线性稳压器LDO选择和使用技巧

　（有一部分LDO和DCDC参考电路手册里的笔记）

 如何转换直流电源

　　通过电阻分压？不好： 原因是R1的电流很大，通过负载的反而小，而且在负载不工作的情况下电路中的电流也很大，电流大造成功率损耗和发热问题，故只有在小电流mA级别才考虑电阻分压。

 

 

 电源转换技术

 

 

 

  LDO

基本的工作原理：晶体管控制电压，输出电压反馈到输入端进行比较，输出需要的电压

 

 

 

 输出效率：（输入输出电流相等）；效率低带来的问题是LDO的电压大，功率大，发热

 

 

 LDO电压降：压降VDO，输出电压一定会低于输入电压，所以必有压差

最大功率损耗PD：PD=压差*电流

结温TJ：

 

 

 　　非常重要，红字部分，芯片内部倒环境温度，℃/W，意思是每上升1W，温度上升多少℃

　　不同的封装有不同的热阻，不同的 ，选择芯片时要考虑

 

 

损耗功率与热问题（不算任何散热，包括PCB散热，理论计算的最大内核温度）

 

 

输入输出电容的影响

 

 

 数据手册里会写LDO的输出电容的要求，需要仔细看一下，如果不满足要求，输出可能不稳定或不能正常工作，如LM1117

　　最小的输出电容是10UF的钽电容

 

 

 

低噪声LDOs

　　开关电源的噪声：做得好的20mv左右，不好的50mv 80mv左右

　　LDO噪声：一般在uv级别

　　需要低噪声电源的场合：通讯设备、网络、音频、测量仪器

 

 LDO的新发展

　　之前的控制逻辑：输出电压通过负反馈输入比较器中，和比较器中的基准电压进行比较，调整输出电压；缺点是输出电压要大于基准电压（低了没法比较）

 

实验验证：

　　LDO热阻问题：

　　散热片对LDO 的帮助：也可以加导热硅胶增加器件和散热片的接触面积

　　密闭腔体下散热器的帮助：

　　空气流动的重要性：

　　两类LDO并联问题：

 

 开关电源拓扑结构

 板上电源常见的非隔离拓扑

（隔离的拓扑都是从非隔离拓扑上衍生而来，加变压器、耦合电感等演进）

①输出低于输入（Buck降压）

　　Vout=Vin*D （D占空比 是0-1之间的值）

　　电感纹波随着输入电压上升而升高

　　一般原则，纹波电流=20%-40%电流

　　电感量计算要按照最高输入电压计算

　　

②输出高于输入（Boost升压）

　　Vout=Vin/(1-D)

③输入可高可低于输出（inverter反相升降压）

　　Vout=-Vin*D/1-D  （D＜0.5 降压）

④Buck-Boost升降压

　　Vout＞Vin    Vout=Vin/(1-D)

　　Vout＜Vin    Vout=Vin*D 

 这里的公式和原理略，视频里讲了

 

 开关频率考虑

 高频：电感小、电容小、更快的动态响应、尺寸小、成本低

　　但EMI（电磁干扰）更难应对、开关损耗更大、效率低

 

后面还有不同拓扑的讲解 没听了

 

 

锂离子电池特性

 1、非常常见的锂电池：18650 （直径18mm高度65mm）

应用如：电脑电池、特斯拉电池

 

 

 

 2、可充电锂聚合物（Li-Ploymer）电池

应用如：可移动设备、iphone电池，可以做的很薄和不同形状

 

 

 

 锂电池危害：一定要有充放电保护板！不然会损坏爆炸！

 锂电池放电曲线

 

 

由图1可知，电压大多数时间集中在4.1v-3.3v，是主要的工作电压

由图2可知，放电电流越大，电池容量衰减越快

由图3可知，低温下电池的衰减很严重，高温电池也会衰减但没低温严重，60度左右最佳（特斯拉的电池是有保温装置的）

 

锂电池充电方法

 

 

 

 

常见的充电方案---线性充电器（右边为内部结构）

 

TIMER：通过一个电容控制时间，比如电容到某个阈值芯片停止放电、

PROG：通过电阻来编程设置充电电流

NTC：连接负温度系数的电阻（热敏电阻），这个电阻位于电池内部，做保护

 

 常见的充电方案---开关充电器（右边为内部结构）

 

 

 

线性充电与开关充电比较：

线性充电：

　　应用：穿戴式设备　

　　特性：充电电流小于1A、设计简单、尺寸小、低成本、低效

开关充电：

　　应用：手机

　　特性：充电电流大、设计复杂、尺寸大、成本高、高效

 

 实验对比---NTC温度保护

NTC热敏电阻：原理是电阻分压，热敏电阻负温度系数，温度升高电阻降低。

实验：温度升高，充电保护，电流为0

 

 实验对比---充电电流与温度

 线性充电器：5v 500mA时温度恒定在42°，1A时温度恒定在58°

 开关充电器：5v 1A时温度恒定在39°，2A时温度恒定在58°

 

 

 1.7开关电源/LDO/锂电池充电/电源路径/USB供电

 USB充电系统关键考虑：

　　USB只能提供一定的电流，需要输入限流

　　电池温度监控 一般0-45度间，一般会锂电池内置NTC，控制是否充电及充电电压电流

　　电流、电压精准控制，其会影响到充电电流和使用寿命

　　尽快充满，高效的开关充电

 

充电路径管理

 

 

 区别就是：后者更好，独立控制

 

输入限流路径管理（DPM动态功率管理）

输入功率低于负载功率，输入可能就在不断欠压、启动 之间切换，加入了输入限流路径管理可以解决这个问题

·当系统负载小，多余的电流给电池充电

·当系统负载大，多余的电流由电池补电

 

 理想二极管帮助提高电池利用率

 

 

低于欠压电会停止工作，更好的二极管会使得欠压点更低

 从上往下，依次是肖特基二极管、pmos、更小的mos。0.03是Rds

 

 输入过冲抑制

当输入存在陶瓷电容时，且容量较小，输出的浪涌电压会很大，如输入5v可能会有10v电压，损坏设备

措施1：陶瓷电容串联一个电阻，抑制

措施2：加入缓启动电路，慢慢导通，慢慢充电

 

 

下面是ADI的电源规划工具 PowerCAD的使用  设计的时候再看吧