12-通用集成稳压电源7-9

1、河北科技大学信息科学与工程学院2009.10数字化测量技术数字化测量技术第六章 通用集成稳压电源第七节第七节 单片开关式稳压器的原理与应用单片开关式稳压器的原理与应用 第八节第八节 散热器的设计散热器的设计 第九节第九节 稳压电源测量技术稳压电源测量技术 第七节第七节 单片开关式稳压器的原理与应用单片开关式稳压器的原理与应用 上节所讲无工频变压器的开关电源开关电源只适用于输出电压固定或变化范围不大的场合,而不适和要求输出电压幅度变化很大或连续可调的场合。 替代线性稳压器构成串联开关式稳压电源,在电路中只需增加续流二极管和储能电感等几只元器件,使电路更加简洁。 主要特点主要特点：集成化程度较高（

2、内含开关功率管和保护电路） 外围电路简单 稳压性能好 输出电压连续可调。 电源效率高, 耗散功率小 整机的重量和体积有所减少。第七节第七节 单片开关式稳压器的原理与应用单片开关式稳压器的原理与应用线性稳压电路的缺点：线性稳压电路的缺点：调整管调整管管耗大管耗大电源电源效率低效率低( (40% 60%) )改进思路：改进思路：使调整管使调整管截止截止( (电流小电流小) ) 饱和饱和( (管压降小管压降小) )开关稳压电路的优点：开关稳压电路的优点： 效率高效率高( (80% 90%) )体积小、重量轻体积小、重量轻稳压范围宽稳压范围宽开关稳压电路的缺点：开关稳压电路的缺点：电路电路复杂复杂对电

3、网要求不高对电网要求不高对电子设备对电子设备干扰较大干扰较大输出电压含输出电压含较大纹波较大纹波第七节第七节 单片开关式稳压器的原理与应用单片开关式稳压器的原理与应用单片开关式稳压器属于低压DC/DC电源变换器。 对于输入与输出电压不需隔离只对于输入与输出电压不需隔离只用一个工作开关和用一个工作开关和L、D、C组成组成的变换器电路的变换器电路 最基本的为如下三种：最基本的为如下三种：（1）降压变换器（）降压变换器（buck converter）；）；（2）升压变换器（）升压变换器（boost converter）；）；（3）降、升压变换器（）降、升压变换器（buck-boost convert

4、er）。）。一、单片开关式稳压器的产品分类一、单片开关式稳压器的产品分类 第七节第七节 单片开关式稳压器的原理与应用单片开关式稳压器的原理与应用典型产品有意法半导体公司（典型产品有意法半导体公司（ST）生产的）生产的L4960和和L4970系列产品。适合制作低压连续系列产品。适合制作低压连续可调（可调（5.140V）、大中功率（）、大中功率（400W以下）、大电流（以下）、大电流（1.510A）、高效率（可大于）、高效率（可大于90%）的开关电源，并且利用降压式电路来代替高频变压器，使用时需配工频变压器）的开关电源，并且利用降压式电路来代替高频变压器，使用时需配工频变压器 一、单片开关式稳压器

5、的产品分类一、单片开关式稳压器的产品分类 第七节第七节 单片开关式稳压器的原理与应用单片开关式稳压器的原理与应用典型产品有意法半导体公司典型产品有意法半导体公司(ST)生产的生产的L4960和和L4970系列产品。适合制作低压连系列产品。适合制作低压连续可调续可调(5.140V)、大中功率、大中功率(400W以下以下)、大电流、大电流(1.510A)、高效率、高效率(可大于可大于90%)的开关电源，利用降压式电路来代替高频变压器，使用时需配工频变压器的开关电源，利用降压式电路来代替高频变压器，使用时需配工频变压器 。二、二、L4960/4962的工作原理的工作原理 。 4、5、12、13脚应焊

6、在专门设计的敷铜板上（与地相连），以代替散热器SIP-7封装，封装，可输出可输出2.5A电流电流DEP-16封装封装最大输出电流为最大输出电流为1.5A第七节第七节 单片开关式稳压器的原理与应用单片开关式稳压器的原理与应用二、二、L4960/4962的工作原理的工作原理 锯齿波误差电压PWM输出滤波电压IREFVDRRVUo)341 (第七节第七节 单片开关式稳压器的原理与应用单片开关式稳压器的原理与应用二、二、L4960/4962的工作原理的工作原理 锯齿波误差电压PWM输出软起电压软启动工作原理软启动工作原理 第七节第七节 单片开关式稳压器的原理与应用单片开关式稳压器的原理与应用二、二、L

7、4960/4962的工作原理的工作原理 UODUI D 储能续流取样RC振荡频率补偿防寄生振荡防寄生振荡软启动 启动延时Ur=UC4-UBE58嵌位保护电位跟踪？ 第七节第七节 单片开关式稳压器的原理与应用单片开关式稳压器的原理与应用二、二、L4960/4962的工作原理的工作原理 1、锯齿波振荡、锯齿波振荡 221CRf开关频率由开关频率由R2C2决定：决定： R2127k， 一般取一般取4.3k； C210003300pF 通常取通常取2200PF此时此时f100kHz T10s。第七节第七节 单片开关式稳压器的原理与应用单片开关式稳压器的原理与应用二、二、L4960/4962的工作原理的

8、工作原理 2、软启动电路、软启动电路 uAVCtREF100软启动电路有两个功能，软启动电路有两个功能， 一是防止输出级发生二次击穿一是防止输出级发生二次击穿 二是限制稳压器短路后平均电流值。二是限制稳压器短路后平均电流值。特点：输出占空比逐渐增加特点：输出占空比逐渐增加 输出电流缓慢建立输出电流缓慢建立 由软起电容实现由软起电容实现 是保护电路的实施部分是保护电路的实施部分 软启动时间由软启动时间由C4决定：决定： C414.7uF 一般取一般取2.2uF 此时此时 t100ms第七节第七节 单片开关式稳压器的原理与应用单片开关式稳压器的原理与应用二、二、L4960/4962的工作原理的工作

9、原理 3、过流保护电路、过流保护电路 Rs为电流检测为电流检测1、过流后触发器置位、过流后触发器置位 禁止输出禁止输出 C4电压通过电压通过VT193放电放电2、C4电压放电低于电压放电低于0.4V 禁止复位比较器翻转禁止复位比较器翻转 触发器复位触发器复位 允许输出允许输出 C4停止放电停止放电 软起动软起动3、循环，直至不过流、循环，直至不过流第七节第七节 单片开关式稳压器的原理与应用单片开关式稳压器的原理与应用二、二、L4960/4962的工作原理的工作原理 3、过热保护电路、过热保护电路 当当Tj=150过热保护电路过热保护电路输出高电平。输出高电平。1、过热后禁止输出、过热后禁止输出

10、 C4电压通过电压通过VT193放电放电 C4电压放电低于电压放电低于0.4V2、不过热后，允许输出、不过热后，允许输出 C4停止放电停止放电 软起动软起动第七节第七节 单片开关式稳压器的原理与应用单片开关式稳压器的原理与应用三、由三、由L4960构成的开关电源构成的开关电源 整流滤波整流滤波 频率补偿频率补偿 振荡振荡 软起软起 LC滤波 取样第七节第七节 单片开关式稳压器的原理与应用单片开关式稳压器的原理与应用三、由三、由L4960构成的开关电源构成的开关电源 OMIKC1、输入电容的确定、输入电容的确定 输入端滤波电容输入端滤波电容C1的容量可按的容量可按左式估算：左式估算： K为比例系

11、数为比例系数 K1000F/A IOM为最大输出电流为最大输出电流例如例如 当当IOM2.5A时时 C12500F 可选可选3300F或或4700F的的标称容量。标称容量。第七节第七节 单片开关式稳压器的原理与应用单片开关式稳压器的原理与应用三、由三、由L4960构成的开关电源构成的开关电源 )341 (RRVUoREF2、输出电压确定、输出电压确定 当当UO端经端经R4、R3分压后接第分压后接第2脚时，脚时，UO值就取决于分压比值就取决于分压比当当R40时，时，UO5.1V；当当R4/R36.8时，时，UO40V。取可调电阻取可调电阻R433k，固定，固定电阻电阻R34.7k，调整，调整R4

12、，即，即可使可使UO5.140V。L4960最低只能输出最低只能输出5.1V电电压，欲从压，欲从0V起调，可利用起调，可利用7905型三端稳压器给型三端稳压器给L4960的的GND端提供端提供5V电压，便电压，便可获得可获得0（UO5V）范围）范围内的输出电压。内的输出电压。第七节第七节 单片开关式稳压器的原理与应用单片开关式稳压器的原理与应用三、由三、由L4960构成的开关电源构成的开关电源 LoIoIOIfVVVVL)(3、输出、输出LC滤波器的设计滤波器的设计 电感纹波电流电感纹波电流IL和输出纹波电压和输出纹波电压VO是开关稳压电源重要指标是开关稳压电源重要指标 L确定纹波电流确定纹波

13、电流 LC确定输出纹波电压确定输出纹波电压OooIOVLfVVVC28)(例如：设计一电源，输入例如：设计一电源，输入VI=35V 输出输出VO=5V fO=100kHz 要求要求 IL=150mA纹波电压纹波电压VO =3mV 代入上式，可得：代入上式，可得： L300uH C200uF一般设计中，电感取值较小，电容取值较大（一般用电解电一般设计中，电感取值较小，电容取值较大（一般用电解电容），考虑电解电容的等效电感会影响容），考虑电解电容的等效电感会影响L的正常工作，实际可的正常工作，实际可由两只或多只电容并联获得由两只或多只电容并联获得第七节第七节 单片开关式稳压器的原理与应用单片开关式

14、稳压器的原理与应用三、由三、由L4960构成的开关电源构成的开关电源 4、其他、其他 续流二极管可选快恢复二极管，有条件者宜选肖特基二极管。续流二极管可选快恢复二极管，有条件者宜选肖特基二极管。 额定电流须大于电感工作最大电流 设计电路时必须把信号地与功率地线分开布置，最后在输设计电路时必须把信号地与功率地线分开布置，最后在输出端汇合。这是因为功率地线上有大电流通过，它在印制导线上出端汇合。这是因为功率地线上有大电流通过，它在印制导线上形成的压降如被引入信号端，即会经形成的压降如被引入信号端，即会经L4960反映到输出端，影响反映到输出端，影响稳压性能。稳压性能。 使用使用L4960时必须加合

15、适的散热器，因其最大允许功耗时必须加合适的散热器，因其最大允许功耗PDM7W，可选，可选TO-220成品散热器，亦可自制成品散热器，亦可自制100mm80mm2mm的铝板散热器。的铝板散热器。 第八节第八节 散热器的设计散热器的设计 使用集成稳压器时，需要安装合适的散热器，使用集成稳压器时，需要安装合适的散热器，以便将芯片内部产生的热量及时散发掉，避免因散以便将芯片内部产生的热量及时散发掉，避免因散热不良致使管芯温度超过最高结温而进行过热保护，热不良致使管芯温度超过最高结温而进行过热保护，使稳压器无法正常工作，甚至损坏芯片。使稳压器无法正常工作，甚至损坏芯片。 因此，正确设计散热器是使用集成稳

16、压器的前因此，正确设计散热器是使用集成稳压器的前提条件。提条件。 第八节第八节 散热器的设计散热器的设计 一、散热器的设计原理稳压器的散热方式有3种热传导-主要发生在稳压器与散热器之间(最主要方式）热对流-发生在散热器和周围空气之间（自然风冷时可忽略）热辐射-是指散热器向周围空气释放热量(自然风冷时可忽略)稳压器的散热途径管芯管壳散热器周围空气 稳压器的散热能力取决于它的热阻R ：是用来表征各种材料热传导性能的物理量，以单位功耗下材料的温升来表示， 即RT/PD（单位是/W）温升愈低，说明散热能力愈强，热阻小；稳压器的散热目的在最大允许功耗下保障结温T小于最高节温TjM第八节第八节 散热器的设

17、计散热器的设计 一、散热器的设计原理稳压器的散热热阻分布稳压器的散热热阻分布结结温温壳壳温温散热器温度环境温度RJCRCSRSA从结到管壳的热阻从结到管壳的热阻 从管壳到散热器表面的热阻从管壳到散热器表面的热阻 散热器热阻：散热器到周围空气的热阻散热器热阻：散热器到周围空气的热阻加散热片的总热阻：加散热片的总热阻：RJARJC RCS RSA 一般器件给出其封装下不一般器件给出其封装下不加散热片的总热阻加散热片的总热阻RJA及及最大允许功耗最大允许功耗PDM和到散和到散热片表面热阻热片表面热阻RJS第八节第八节 散热器的设计散热器的设计 一、散热器的设计原理稳压器的（加散热片）允许功耗设计稳压

18、器的（加散热片）允许功耗设计SAJSAMjMJARRTTRTPDJSDAMjMSARPTTR 器件加散热板时的总热阻为器件加散热板时的总热阻为RJA，稳，稳压器的最高允许结温为压器的最高允许结温为TjM，最高环境温，最高环境温度为度为TAM，温升为，温升为T，加散热器后器件，加散热器后器件的计算允许功耗为的计算允许功耗为PD，有关系式，有关系式如PD表示设计功耗，PDM为最大允许功耗，必须满足： 散热器热阻=总热阻减去器件热阻。以确定散热板面积PDPDPDM若用若用PD来代替来代替PD，则，则第八节第八节 散热器的设计散热器的设计 二、散热器的设计方法及注意事项1、稳压器的散热器设计方法、稳压

19、器的散热器设计方法 A：首先确定稳压器件的封装及热参数设计散热片用到加散热片后第八节第八节 散热器的设计散热器的设计 二、散热器的设计方法及注意事项1、稳压器的散热器设计方法、稳压器的散热器设计方法 B：确定散热器形式及热参数散热器的种类很多，大致可分为两种。 一种是成品散热器，例如筋片一种是成品散热器，例如筋片式、叉指式散热器，其散热效果好，式、叉指式散热器，其散热效果好，体积小，但成本较高体积小，但成本较高 叉指式叉指式筋片式筋片式 一种是平板式散热器，简称散一种是平板式散热器，简称散热板，其结构简单、成本低，容易热板，其结构简单、成本低，容易自制，但所占面积较大。自制，但所占面积较大。

20、第八节第八节 散热器的设计散热器的设计 二、散热器的设计方法及注意事项1、稳压器的散热器设计方法、稳压器的散热器设计方法 B：确定散热器形式及热参数在自然冷却的条件下，在自然冷却的条件下，铝散热板和铁散热板铝散热板和铁散热板的热阻的热阻RSA与表面与表面积积S的特性曲线如图。的特性曲线如图。 板厚均为板厚均为2mm，使用条件是散热板垂使用条件是散热板垂直放置，器件装在散直放置，器件装在散热板中心位置。热板中心位置。 以平板式散热器为例，通过特性图获得热参数。以平板式散热器为例，通过特性图获得热参数。 第八节第八节 散热器的设计散热器的设计 二、散热器的设计方法及注意事项1、稳压器的、稳压器的散

21、热器散热器设计方法设计方法 C：设计散热板 1）确定已知条件：）确定已知条件： 允许最高结温TjM ：125（民品）或150（军品） 最高环境温度TAM：当地最高气温或工作现场最高温度 所选板材及厚度 2）确定）确定PD： 根据封装确定根据封装确定PDM， 串联稳压：串联稳压： PD=（UI-UO）IO 开关稳压：开关稳压：PD PO 取取 PDPDPDM 3）根据封装形式和散热板接触形式，从封）根据封装形式和散热板接触形式，从封装热参数表查出器件的装热参数表查出器件的RJS值值 ，根据公式求出散热板对空气的热阻RSA JSDAMjMSARPTTR 4）根据）根据RSA值查散热板特性图，确定散

22、热板表面积值查散热板特性图，确定散热板表面积S，进而求出，进而求出外形尺寸外形尺寸(长、宽长、宽)。为提高可靠性，应留出大约。为提高可靠性，应留出大约1/3的余量。的余量。 第八节第八节 散热器的设计散热器的设计 二、散热器的设计方法及注意事项1、稳压器的、稳压器的散热器散热器设计方法设计方法设计实例例例1：已知：已知TjM125，TAM45，试求，试求TO-220封装的线性稳封装的线性稳压器在不安装散热器时的最大允许功耗。压器在不安装散热器时的最大允许功耗。 W28.15 .6245125JAAMjMDMRTTP查表得不安装散热板时TO-220封装的总热阻RJA62.5/W。 实际最大功耗应

23、低于PDM，故最大允许功耗约为1W，仅为加合适散热器后最大允许功耗（PDM10W）的1/10。第八节第八节 散热器的设计散热器的设计 二、散热器的设计方法及注意事项1、稳压器的设计方法、稳压器的设计方法设计实例例例2：已知TjM125，TAM45，试确定TO-3封装的线性稳压器在不安装散热器时的最大允许功耗。 W24045125JAAMjMDMRTTP查表得不安装散热板时TO-3封装的总热阻RJA40/W。 实际最大功耗应低于PDM，故最大允许功耗约为1.5W，不到加合适散热器后最大允许功耗（PDM20W）的1/10。第八节第八节 散热器的设计散热器的设计 二、散热器的设计方法及注意事项1、稳

24、压器的设计方法、稳压器的设计方法设计实例例3:用TO-3封装的三端线性稳压器7809构成稳压电源。已知UI20V，IO1A，PDM20W，TjM150，TA40。拟用2mm厚铝板散热器，试确定在不涂导热硅脂与涂导热硅脂两种情况下,铝散热板的外形尺寸并计算稳压器的效率。 首先计算实际功耗 PD(UIUO)IO（209）111W 取设计功耗PD11W，满足PDPDPDM20W从图6-8-3上查出S300cm2。若留出1/3的余量，则实际铝散热板表面积为400cm2，外形尺寸可取20cm20cm。 WCPTTR/461140150RoJSDAMjMSA不涂导热硅脂时RJS6/W，代入式中计算出RJS

25、 第八节第八节 散热器的设计散热器的设计 二、散热器的设计方法及注意事项1、稳压器的设计方法、稳压器的设计方法设计实例 从图6-8-3上查出S62cm2。若留出1/3的余量，则实际铝散热板表面积为84cm2，外形尺寸可取9.1cm9.1cm。 WCPTTR/911140150RoJSDAMjMSA涂导热硅脂时RJS1/W，代入式中计算出RJS 线性稳压器效率为 :%45%100209%100%100IoLILoUUIUIU第八节第八节 散热器的设计散热器的设计 二、散热器的设计方法及注意事项1、稳压器的设计方法、稳压器的设计方法设计实例例4：利用L4960构成单片开关电源。 PDM7W， Tj

26、M150、 TA40 RJS7/W（SIP-7封装与TO-220相似） 用2mm厚铝板散热器，求外形尺寸首先可选上限PD PDM 7W，WCPTTR/7 . 87740150RoJSDAMjMSA查图6-8-3可知S65cm2，实取80cm2，可选100mm80mm2mm的铝散热板。第八节第八节 散热器的设计散热器的设计 二、散热器的设计方法及注意事项2、注意事项、注意事项（1）设管壳温度）设管壳温度TC，TjTCTA。环境温度愈低，温差就愈。环境温度愈低，温差就愈大，散热效果愈好。图大，散热效果愈好。图6-8-3给出曲线均指自然冷却，若利用风扇给出曲线均指自然冷却，若利用风扇风冷，散热条件可

27、大为改善，风冷，散热条件可大为改善，RSA-S曲线就向左下方位移。曲线就向左下方位移。（2）散热板制成圆形或正方形比较理想。若受加工条件或安装）散热板制成圆形或正方形比较理想。若受加工条件或安装空间所限制而必须制成长方形时，长宽之比最好不要超过空间所限制而必须制成长方形时，长宽之比最好不要超过2 1。（3）散热板表面应光洁、平直，无翘曲或锈蚀，并紧固在器件）散热板表面应光洁、平直，无翘曲或锈蚀，并紧固在器件上。器件尽量安装在散热板的中心处。若要求二者绝缘，需加云上。器件尽量安装在散热板的中心处。若要求二者绝缘，需加云母衬垫和绝缘套筒。亦可选聚酯薄膜作绝缘衬垫。母衬垫和绝缘套筒。亦可选聚酯薄膜作

28、绝缘衬垫。（4）散热板应尽量远离电源变压器、功率管等热源。因线性稳）散热板应尽量远离电源变压器、功率管等热源。因线性稳压器的外壳温度一般低于压器的外壳温度一般低于100，故不必考虑热辐射问题。，故不必考虑热辐射问题。（5）采用成品散热器时可根据计算出的散热器最大允许热阻）采用成品散热器时可根据计算出的散热器最大允许热阻RSA，选购合适的散热器。计算公式为，选购合适的散热器。计算公式为 RSA（TJMTAM）/PD（RJCRCS） 第八节第八节 散热器的设计散热器的设计 三、印制板式散热器的设计方法1. 利用利用RJA、PDM与与L的关系曲线设计印制板式散热器的关系曲线设计印制板式散热器SOP-

29、8封装的PCB散热器多采用推荐形状 RJA、PDM与L的关系曲线如图所示：条件：采用单位面积质量为0.0669g/cm2 (折合2oz/ft2)的环氧树脂印制板。无风速。直接焊接。PCB散热器：将单面印刷电路板（简称印制板散热器：将单面印刷电路板（简称印制板PCB）中的一部分铜箔制成正方）中的一部分铜箔制成正方形或圆形，用作散热器。其形状形或圆形，用作散热器。其形状/尺寸尺寸/厚度厚度/风速等对器件风速等对器件RJA、PDM均有影响。 小型化小型化LDO大多采用表面安装式封装，亦称表面贴片式封装。一大多采用表面安装式封装，亦称表面贴片式封装。一般采用印制板散热器，方便灵活。般采用印制板散热器，

30、方便灵活。第八节第八节 散热器的设计散热器的设计 三、印制板式散热器的设计方法2. 利用热阻与散热铜箔面积的关系曲线设计印制板式散热器利用热阻与散热铜箔面积的关系曲线设计印制板式散热器 PCB散热器的总热阻： RJA RJCRCS+RSA条件：采用单位面积质量为0.0669g/cm2（折合2oz/ft2）的环氧树脂印制板。 自行定义自行定义PCB散热器形状和大小时，散热器形状和大小时， 利用热阻利用热阻RSA与散热铜箔面积与散热铜箔面积S的关系曲线设计印制板式散热器的关系曲线设计印制板式散热器 。无风1.3m/s风速与封装有关直焊时0；其他时，依接触情况的不同，RCS0.53/W。 根据条件查

31、表第八节第八节 散热器的设计散热器的设计 三、印制板式散热器的设计方法2. 利用热阻与散热铜箔面积的关系曲线设计印制板式散热器利用热阻与散热铜箔面积的关系曲线设计印制板式散热器 设计举例 已知UI(min)5.6V，UI(max)14V，UO5V，IO(max)150mA, TA50。采用SOT-223封装IC5201-3.3BS型LDO ，TJM125，静态电流1.5mA,直接焊接在印制板上,试确定散热器面积。 最大功耗：最大功耗：PDM(UI(max)UO(min) )IO(max)UI(max) IQ （14V4.9V）150mA14V1.5mA1.39W； 在最坏情况下在最坏情况下PD

32、 =PDM最高温升：最高温升：TTJMTA1255075；在最坏情况下的总热阻：在最坏情况下的总热阻：RJAT/PD75/1.39W54.0/W；查表查表6-8-1得得SOT-223封装封装RJC= 15/W 直接焊接时直接焊接时RCS=0 /W 散热器热阻：散热器热阻：RSARJARJCRCS 54.0/W15/W 0 /W 39/W（最大值）。（最大值）。从图从图6-8-5中可查到散热铜箔的面积中可查到散热铜箔的面积S1400mm2。第九节第九节 稳压电源测量技术稳压电源测量技术 稳压电源的主要技术指标 输入电压范围-u 输出电压-UO 最大输出电流-IOM 最大输出功率-POM 最大功耗

33、-PDM 电压调整率（线性调整率）-SV 负载调整率（电流调整率）-SI 电压效率- 输出纹波电压-URI 。 第九节第九节 稳压电源测量技术稳压电源测量技术 一、测量电压调整率和负载调整率的方法 %1001OUUSV电压调整率、负载调整率分别代表着输入稳压特性和输出稳压特性。 给稳压电源接上额定负载先测在标称输入电压时的输出电压值UO然后连续调节输入电压，从规定的最小值一直变化到最大值记下输出电压与标称值的最大偏差UO %100112UUUSI电压调整率输入电压固定在标称值上，分别测量稳压电源在满载与空载下的输出电压值U1、U2 负载调整率第九节第九节 稳压电源测量技术稳压电源测量技术 二、准确测量