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如何獲得穩(wěn)定電源電壓及低壓降穩(wěn)壓器穩(wěn)定電源電壓詳解-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2019-10-14 

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如何獲得穩(wěn)定電源電壓及低壓降穩(wěn)壓器穩(wěn)定電源電壓詳解

低壓降(LDO)穩(wěn)壓器如何保證穩(wěn)定電源電壓詳解

穩(wěn)壓器在想要從不穩(wěn)定或可變的電源中獲得穩(wěn)定電源電壓的應(yīng)用至關(guān)重要。這類電源包括逐漸放電式的電池或整流后的交流電壓等。


能夠在電源輸入和輸出端之間保持低壓差的線性穩(wěn)壓器通常稱為低壓降(LDO)穩(wěn)壓器。其基本特點是無論輸出電流、輸入電壓、熱漂移或工作壽命(老化)如何變化,都能保持恒定的輸出電壓。這些是理想條件,但現(xiàn)實世界中的情況卻有些不同。由于 LDO 輸出電壓并非絕對穩(wěn)定,因此主要會影響以下操作功能:


A)由于有限的控制回路速度,負(fù)載電流的快速變化會導(dǎo)致輸出電壓的變化。有時內(nèi)部調(diào)節(jié)回路無法對電流的快速變化(由于時間延遲)作出反應(yīng),就會導(dǎo)致通常約為幾十毫伏(mV)的下沖/過沖。


電源,穩(wěn)定電源電壓


B)輸入電壓的快速變化(通常是由 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的輸出電壓紋波引起的)無法通過控制回路完全過濾,于是輸入電壓的變化會一定程度地反映在輸出電壓中,該參數(shù)稱為電源抑制比(PSRR),且通常是頻變參數(shù)。一般而言,PSRR 絕對值越高,從輸入到輸出的傳輸干擾信號就越少。通常情況下,受到干擾的輸入電壓會以 mV 或更低的單位級別傳輸至輸出端。相似地,輸入電壓的快速變化(即“線路瞬態(tài)響應(yīng)”)可發(fā)生于 LDO 輸出端。


電源,穩(wěn)定電源電壓


C)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)自身會產(chǎn)生固有的噪聲,主要是由自由原子與基礎(chǔ)材料晶體結(jié)構(gòu)碰撞而引起。由于固有噪聲是一種半導(dǎo)體中與電流傳導(dǎo)原理相關(guān)的物理現(xiàn)象,因此可以通過一些技術(shù)來抑制,但是不可能將其徹底去除?,F(xiàn)代 LDO 的輸出噪聲可以達(dá)到數(shù)以百計的微伏(uV)甚至更小,但是頂級 LDO 產(chǎn)生的噪聲就會達(dá)到微伏(uV)單位。


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D)其他影響還包括輸入電壓的一個緩慢變化及其對線路調(diào)整率的影響、負(fù)載電流的一個緩慢變化及其對負(fù)載調(diào)整率、導(dǎo)熱系數(shù)和長期穩(wěn)定性的影響。


在現(xiàn)實世界中,必須綜合考量所有這些影響及其作用,以實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定和精確。因此,有必要仔細(xì)考量上述的情況可能關(guān)乎一個特定應(yīng)用。


如何獲得穩(wěn)定電源電壓,光靠電源線可以嗎?

當(dāng)采用降壓型穩(wěn)壓器或線性穩(wěn)壓器電源時,一般是將電壓調(diào)節(jié)為設(shè)定值來為負(fù)載供電。在一些應(yīng)用中 (例如,實驗室電源或需采用較長電纜連接各種元件的電子系統(tǒng)),由于互連線上存在各種電壓降,因此無法確保在所需位置點始終提供準(zhǔn)確的穩(wěn)壓電壓??刂凭热Q于許多參數(shù)。


一個是負(fù)載需要連續(xù)恒定電流時的直流電壓精度。另一個是生成電壓的交流精度,這取決于生成的電壓如何隨負(fù)載瞬變而變化。


影響直流電壓精度的因素包括所需的基準(zhǔn)電壓 (可能是一個電阻分壓器)、誤差放大器的行為以及電源的一些其他影響因素。影響交流電壓精度的關(guān)鍵因素包括所選的功率等級、后備電容以及控制環(huán)路的架構(gòu)與設(shè)計。


然而,除了所有這些會影響生成的電源電壓精度的因素以外,還必須考慮其他影響。如果電源與所需供電的負(fù)載空間分離,則在穩(wěn)壓電壓和需要電能的位置之間將存在電壓降。該電壓降取決于穩(wěn)壓器和負(fù)載之間的電阻。它可能是帶插頭觸點的電纜或電路板上的較長走線。


電源,穩(wěn)定電源電壓


圖4顯示電源和負(fù)載之間存在電阻??梢酝ㄟ^略微提高電源生成的電壓,來補償該電阻上的電壓損耗。不幸的是,線路電阻上產(chǎn)生的電壓降取決于負(fù)載電流,即流過線路的電流。相較于低電流,高電流會導(dǎo)致更高的電壓降。因此,負(fù)載由精度相當(dāng)?shù)偷恼{(diào)節(jié)電壓供電,而調(diào)節(jié)電壓取決于線路電阻和相應(yīng)的電流。


對于這個問題的解決方案如下:采用開爾文檢測線測量電子負(fù)載側(cè)的電壓。在圖4中,這些額外的線路顯示為紅色。然后將這些測量值整合到電源側(cè)的電源電壓控制中。


這種方式很有效,但缺點是需要額外的檢測引線。由于無需承載高電流,這類引線的直徑通常非常小。然而,在連接電纜中設(shè)置測量線以獲得更高的電流會帶來額外的工作量和更高的成本。


無需額外的一對檢測引線,也可以對電源和負(fù)載之間連接線上的電壓降進(jìn)行補償。對于一些電纜布線復(fù)雜、成本高昂并且所產(chǎn)生的 EMC 干擾很容易耦合到電壓測試引線的應(yīng)用而言,這一點特別有意義。


第二種方案是使用LT6110 這類專用線路壓降補償 IC。將此 IC 插入電壓發(fā)生側(cè),并測量進(jìn)入連接線之前的電流。然后根據(jù)測得的電流來調(diào)節(jié)電源的輸出電壓,從而能夠非常精確地調(diào)節(jié)負(fù)載側(cè)電壓,而不用考慮負(fù)載電流。


電源,穩(wěn)定電源電壓

圖5.利用LT6110調(diào)節(jié)電源輸出電壓,以補償連接線上的電壓降


采用 LT6110 這類元件,就可以根據(jù)相應(yīng)的負(fù)載電流來調(diào)節(jié)電源電壓;不過,進(jìn)行這種調(diào)節(jié)需要了解線路電阻相關(guān)信息。大多數(shù)應(yīng)用都會提供此信息。如果在器件的使用壽命期間,將連接線更換成更長或更短的連接線,則還必須對采用 LT6110 實現(xiàn)的電壓補償進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。


如果在器件工作期間線路電阻可能會發(fā)生變化,可使用LT4180 這類元件,在負(fù)載側(cè)具有輸入電容時,通過交流信號對連接線電阻進(jìn)行虛擬預(yù)測,從而為負(fù)載端提供高精度電壓。


電源,穩(wěn)定電源電壓

圖6.使用LT4180對線路進(jìn)行虛擬遠(yuǎn)程測量


圖6顯示了一個采用 LT4180 的應(yīng)用,其中傳輸線路的電阻未知。線路輸入電壓根據(jù)相應(yīng)的線路電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)。使用 LT4180,無需開爾文檢測線路,只需逐步改變線路電流并測量相應(yīng)的電壓變化即可實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)。利用測量結(jié)果確定未知線路中的電壓損耗。根據(jù)電壓損耗信息實現(xiàn) DC/DC 轉(zhuǎn)換器輸出電壓的最佳調(diào)節(jié)。


只要負(fù)載側(cè)的節(jié)點具有低交流阻抗,這種測量方式就很有效。在許多應(yīng)用中都有效,因為長連接線之后的負(fù)載需要一定量的能量存儲。由于阻抗低,可以對 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸出電流進(jìn)行調(diào)節(jié),并通過測量連接線前側(cè)的電壓來確定線路電阻。


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