电源管理应用电路简介
本文是在一系列帮助用户熟悉电源管理元件之系列文章中的第一篇。首先,介绍不同的电源管理架构, 其次,特别介绍主要的选择标准,最后也会提供产品组合的完整清单,有助于加速在电源管理设计时选择适当的元件。
1. 电源转换的基本需知
选择适当的电源管理元件取决于该应用的输入和输出条件。
电源输入是交流(AC) 或直流(DC)? 输入电压是高于或低于所需的输出电压? 所需的负载电流是多少? 负载是否对噪声敏感,或需定电流(如 LED 的应用), 又或是变化较大的电流?
各应用基于其特殊的需求,会选择不同电源转换元件。
下图显示数个应用实例和其典型常用的电源转换元件;而这些元件均可在立锜科技的产品目录中找到。
2. 电源管理 IC 的选用标准
立锜科技拥有大规模低压差线性稳压器 (LDO) 和直流-直流转换器/控制器的产品组合。下表可快速地检视一般选用低压差稳压器 (LDO) 和直流-直流开关式电压转换器产品的标准。在设计时,首先考虑的是输入到输出的电压差 (VIN – VOUT)。在选择最佳的电源解决方案时,该应用的特殊需求,如效率、 散热限制、 噪声、 复杂度和成本等都必须考虑。
当 VOUT 小于 VIN,所需输出电流和 VIN / VOUT 比是考量选择低压差线性稳压器 (LDO) 或降压转换器 (Buck) 的重要因素。
低压差线性稳压器 (LDO) 非常适合需要低噪声、低电流及低 VIN / VOUT 比之应用。其基本电路图可见图二。低压差线性稳压器 (LDO) 藉由线性方式控制导通元件的导通,以调节输出电压。线性稳压器提供准确且无噪声的输出电压,能快速因应输出端的负载变化。然而,线性调节意谓着输入输出的电压差乘上平均负载电流就是线性稳压器导通元件所消耗的功率,即 Pd = (VIN – VOUT) * ILOAD。高 VIN / VOUT 比与高负载电流都会导致过多额外的功率损耗。
在选择 LDO 时,须考虑输入和输出电压的范围、LDO 的电流大小和封装的散热能力。 LDO 电压差是指在可调节范围内,VIN – VOUT 的最小电压。在微功率应用中,如需靠单一电池供电很多年之应用,LDO 静态电流IQ 必须够低,以减少电池不必要的消耗;而这类应用就需要特殊的、具低静态电流IQ 之低压差线性稳压器(LDO)。
降压转换器是一种开关式降压转换器,它可在较高的 VIN / VOUT 比和较高的负载电流之下,提供高效率和高弹性的输出。它的基本电路如图三所示。大多数降压转换器包含一个内部高侧 MOSFET 和一个低侧作为同步整流器的 MOSFET,借着内部占空比控制电路来控制两者的交替开、关 (ON/OFF) 以调节平均输出电压。切换造成的噪声可由外部 LC 滤波器来过滤。
升压转换器是用于 VOUT 高于 VIN 之应用。基本电路图如图四所示。升压转换器将输入电压升至较高的输出电压。其操作原理是经由内部 MOSFET 对电感器充电,而当 MOSFET 断路时,透过至负载端之整流器将电感放电。电感充电转为放电会使电感电压变为反向,从而升高输出电压使之高于 VIN。 MOSFET 开关 的 ON / OFF 责任周期将决定升压比 VOUT / VIN,并且回授回路也控制责任周期以维持稳定的输出电压。输出电容是缓冲元件,用来减小输出电压连波。
MOSFET 的电流额定值和升压比一起决定最大负载电流,而 MOSFET 的电压额定值决定最大输出电压。有些升压转换器则会将整流器以 MOSFET 整合于内部,达到同步整流之功效。
MOSFET 的电压额定值将决定最大输入和输出电压范围。在输出电压不需要参考接地的应用中,如 LED 驱动器,可使用只有单开关和整流器的升-降压转换器。而在大多数情况下,输出电压是参考到 VIN。
采用内部或外部的 MOSFET?
需要非常大开关电流(如 > 10A)的应用,通常都会使用外部的开关 MOSFET,并且配合使用降压控制器或升压控制器。这类配置方式通常都是用在输出功率超过 25W 的功率转换器。
输出电流 >25A 的降压应用多使用多相位降压控制器,即不同的相位阶段分享同一电流。具非常高切换电压的电路,例如从 AC 线电压供电的应用电路中,通常会采用的控制器是使用外部、耐高压的MOSFET。(例如反激式控制器和 PFC 控制器)
LED 驱动器调节的是稳定输出电流,而不是稳定输出电压,因为LED特定的光输出是完全由电流来决定。大多数高亮度LED 的正向电压是 3〜3.5V;而根据输入电压和 LED 串中 LED 的数量,转换器可以是降压,升压或升-降压型(例如,某些应用甚至需要配合不同的 LED 串)。
LCD 背光系统须驱动大量的 LED,因此会使用到多串型 LED 驱动器。某些离线式 LED 驱动器则会使用线性 LED 驱动器的架构。大多数 LED 驱动器还包括调光功能,以便能够控制输出电流,并进而控制 LED 的光输出。
保护功能
安全性和可靠性是电源供应器需特别注意的。大多数转换器都包括保护功能,使其能在负载过大或工作温度过高的情况下,将电源供应器安全地关闭。
功率开关可用来控制电源轨是否接通于电路。其基本电路如图七所示。 EN 接脚用于启动由 MOSFET 所构成的导通元件,它所具有之特殊井状结构可阻挡通过本体二极体的反向电流。当输出电流超过限流门槛值时,电流限制电路会将开关打开 (Open)。当任何保护功能被启动时,则 FAULT 脚会被拉至低电位,并且以此信号来告知系统故障已发生。功率开关通常也被用于保护 USB 接口,因通常 USB 对电流的需要求最大,也必须有短路保护。功率开关主要的选择标准是电流限制值的大小,不论电流限制是固定或可调的。
监控IC的选择标准是电压门坎值,重置延迟时间,开路汲极式或推挽式输出,和是否可外部控制的重置功能。
许多隔离、离线式 LED 驱动器也采用反激式架构;为能精确控制 LED 电流且不用光耦合器,这类 LED 反激式控制器会用初级侧检测方式以控制次级绕组的电流。交流供电之 LED 照明应用对功率因数 (PF) 和交流线电流谐波都有较严格的要求,所以大部分脱机反激式 LED 控制器还需具备达良好功率因数和低 THD 之特性。