GPS设计-电源部分 (2)课件

GPS设计－电源部分内容结构

LDO

电荷泵

DC-DC降压电路

DC-DC升压电路

锂电池锂电池充电电路LDO工作原理1

LDO是阻性电源产品，通过内部MOSFET的开关，只能进行降压输出，输出电压一定比输入电压要低。

组成：MOSFET、反馈分压电阻Rs和Rf、误差比较放大器组成。通过此误差放大器向输出晶体管提供必要的门极电压，控制MOS管的通断。

LDO的相位裕度负反馈：就与源信号的极性相反。由于与源的极性相反，负反馈总会阻止任何的输出变化。也就是说，如果输出电压想要变高（或变低），回路总会阻止其到正常值。正反馈（PositiveFeedback）：当反馈信号与源信号有相同的极性时就会发生正反馈。此时，回路响应会与发生变化的方向一致。这样明显不能达到稳定，因为不能消除输出电压的改变，反而将变化趋势扩大了。很明显不会有人在线性稳压器件中使用正反馈，但是如果出现180°的相移，负反馈就成为正反馈了。理想的负反馈信号与源信号相位差180°，因此它的起始点在－180°。而负反馈信号在经过回路时会产生相移。从－180°开始，如果增加180°的相移，就会使信号相位回到零度。这也就使反馈信号与源信号相位相同了，并使回路不稳定。因此稳定的回路需要一定的相位裕度。LDO的输入输出电容输出电容器的选择利用输出电容器来实现相位补偿是最便捷经济的方法。（1）那么是选择陶瓷电容还是钽电容呢？而典型LDO的可稳定的ESR的范围一般为100mΩ到5Ω。贴片陶瓷电容具有较低的ESR值，一般小于10mΩ。钽电容的ESR值相对高，一般大于100mΩ。因此若要达到稳定状态，只能使用钽电容并不能使用陶瓷电容。然而钽电容做输出电容有体积大且价格较高的缺点，于是有些ldo厂商便在ldo芯片内部放置输出钽电容器以补偿相位，这类ldo允许使用ESR值较低的陶瓷电容做为输出电容器。（2）如何选择输出电容器的容值和ESR值？在LDO的规格书中都会指定最低电容器值，并给出输出电容器的ESR和输出电流。所以只要其电容大于所要求最小值，就都是稳定的。使用更大电容器的LDO调节器与较小的ESR在一起就是稳定的。事实上，更大的电容和较小的ESR值能够改善输出瞬时反应。输入滤波电容器的选择输入电容是用来滤除输入电源纹波，应尽可能靠近LDO的输入端。利用较低ESR的大电容器一般可以全面提高电源抑制比(PSRR)、噪声以及瞬态性能。使用良好的陶瓷电容或钽电容均可，用X7R电介质是最好的，但使用成本略高，X5R电介质较好，性能/价格比适宜，而Y5V电介质较差，但成本较低。LDO的效率及布板原则

LDO的效率LDO的dropoutvoltage取决于内部MOS管的压降，即Rds(on)和输出电流的乘积。LDO的效率一般为输出电压/输入电压。也就是，如果说输出电压1.8V，输入电压为3.6V时，理论上它的效率只有50%。缺点：效率低，输出电压范围小优点：输出电压纹波相对DC/DC较小，价格便宜，外围器件简单，占用PCB面积小布板LDO在PCB板上的工艺走线十分重要，当工艺走线不良和靠近RF线时降噪性能会受影响。滤波电容汇入地节点选择不良时，由负载返回地的电流中，噪音和纹波都会增加。理想的PCB板布线设计是接地点尽可能的粗短和走捷径，走线一定要考虑各个器件间的干扰和辐射，器件的合理排列可有利于有效地减少各个器件间的相互干扰和辐射。DC-DC基本知识DC/DC是开关电源芯片。开关电源，指利用电容、电感的储能的特性，通过可控开关（MOSFET等）进行高频开关的动作，将输入的电能储存在电容（感）里，当开关断开时，电能再释放给负载，提供能量。其输出的功率或电压的能力与占空比（由开关导通时间与整个开关的周期的比值）有关。开关电源可以用于升压和降压。我们常用的DC-DC产品有两种。一种为电荷泵（ChargePump），一种为电感储能DC-DC转换器。后面将详细讲解这两种DC/DC产品的相关知识。电荷泵原理

电荷泵为容性储能DC-DC产品，可以进行升压，也可以作为降压使用，还可以进行反压输出。电荷泵消除了电感器和变压器所带有的磁场和电磁干扰。电荷泵是通过外部一个快速充电电容（FlyingCapacitor），内部以一定的频率进行开关，对电容进行充电，并且和输入电压一起，进行升压（或者降压）转换。最后以恒压输出。在芯片内部有负反馈电路，以保证输出电压的稳定，如上Vout，经R1,R2分压得到电压V2，与基准电压VREF做比较，经过误差放大器A，来控制充电电容的充电时间和充电电压，从而达到稳定值。其可以依据电池电压输入不断改变其输出电压。电荷泵倍压产生原理在第一阶段，C1和C2串联。假设C1=C2，则电容充电直到电容电压等于输入电压的一半：VC1+-VC1-=VC2+-VC2-=VIN/2在第二阶段，C1和C2并联，连接在VIN和VOUT之间。VOUT=VIN+VIN/2=1.5VIN效率：电荷泵的效率是根据电荷泵的升压模式，输入电压和输出电压所决定，如果是以2倍压模式进行升压，那么它的效率为Vout/2Vin。输入电压越小，效率越高。电感式DC-DC电感式DC-DC它是通过电感不断的储能/放电，最后达到稳定电压/电流输出的转换器。根据输出电压与输出电压的高低比较，可以分为boost（输出电压远高于输入电压）和buck（输出电压低于输入电压）。它们的拓扑结构不同。Boost一般用于lcd串联背光驱动以及oled驱动，一般使用得输出电压在十几伏。Buck用于多媒体协处理器的核电压。PWM波产生原理组成：误差放大器、三角波发生器、比较器当误差放大器（EA）输出与振荡器斜波电压相匹配时，RS触发器复位关闭锁存。在稳态时，Driver的输出的占空比将通过EA的输出自我调节，从而保持正确的输出电压。当EA输出太小时，RS触发器有可能复位保持高态，从而使输出导通锁存。这种情况通常发生在轻负载时，因此需要在EA输出端加补偿。BUCK工作原理下图降压转换器最基本的电路：是利用MOSFET开关闭合时在电感器中储能，并产生电流。当开关断开时，贮存的电感器能量通过二极管输出给负载。输出电压值与占空比（开关开启时间与整个开关周期之间的比）有关。整流二极管的选择该二极管必须具有与输出电压相等或更大的反向额定电压。其平均额定电流必须比所期望的最大负载电流大得多。其正向电压降必须很低，以避免二极管导通时有过大的损耗。此外，因为MOSFET工作于高频开关模式，所以需要二极管具有从导通状态到非导通状态时，很快恢复。反应速度越快，DC/DC的效率越高。肖特基二极管(而非传统的超快速二极管)具有更低的正向电压降和极佳的反向恢复特性。电感器的选择随着开关的打开和闭合，升压电感器会经历电流纹波。一般建议纹波电流应低于平均电感电流的20％。电感过大将要求使用大得多的电感器，而电感太小将引起更大的开关电流，特别在输出电容器中，而这又要求更大的电容器。电感值的选择取决于期望的纹波电流。如等式1所示，较高的VIN或VOUT也会增加纹波电流。电感器当然必须能够在不造成磁芯饱和(意味着电感损失)情况下处理峰值开关电流。由公式可以得出：（1）开关频率越高，所需的电感值就可以减小；（2）电感值增大，可以降低纹波电流和磁芯磁滞损耗。但电感值的增大，电感尺寸也相应的增大，电流变化速度也减慢。为了避免电感饱和，电感的额定电流值应该是转换器最大输出电流值与电感纹波电流之和。电容器选择输入电容的选择因为buck有跳跃的输入电流，需要低ESR的输入电容，实现最好的输入电压滤波。输入电容值必须足够大，来稳定重负载时的输入电压。如果用陶瓷输出电容，电容RMS纹波电容范围应该满足应用需求陶瓷电容具有低ESR值，表现出良好的特性。并且与钽电容相比，陶瓷电容对瞬时电压不敏感。输出电容的选择输出电容器的有效串联电阻(ESR)和电感器值会直接影响输出纹波电压。利用电感器纹波电流((IL)和输出电容器的ESR可以简单地估测输出纹波电压。输出电压纹波是由输出电容的ESR引起的电压值，和由输出电容冲放电引起的电压纹波之和。有些厂家的DC/DC产品的内部由补偿环路，以实现最佳的瞬态响应和环路稳定性。当然，内部补偿能够理想地支持一系列工作条件，而且能够敏感地响应输出电容器参数变化。BOOST工作原理改变降压稳压器的元件位置可把它变成升压稳压器。在升压稳压器中，开关闭合和斜波电流在电感器中。当开关打开时，电感器中的电流必须保持流动。电感器上的电压改变极性直到它正向偏置二极管为止，并放泄能量到输出和输出电容器。每个周期中电感所传输的能量必须等于输出功率除工作频率。这意味着，工作频率越高，每个周期需要传输的能量就越小，这意味着较小的电感器。另外，电感器必须承载足够的电流来供电输出和充电电容器。BOOST的输出特性：BUCK-BOOST前半部分与BUCK同，后半部分与BOOST同。LDO实用电路-RT9179BOOST实用电路-MP1518BOOST实用电路－LCD正负压LDO与DC-DC比较TypicalLDOApplicationTypicalDC/DCSwitcherApplicationSwitch-ModeRegulatorsLinearRegulatorsHighEfficiency,upto95%PoorEfficiency,whenVIN>>VOUTHighNoiseandRippleLowNoiseandRippleHigherPowerDensitySimpleHigherCurrentCapabilityIOUTThermallyLimitedHighlydesigndependantFastTransientResponseStepUporSep-Down，Vin≤Vout≤VinStepDownOnly，Vout≤Vin锂电池电化学原理正极反应：LiCoO2xLi++xe-+Li(1-x)CoO2负极反应：6C+xe+xLi+LixC6

电解液：LiPF6(氟磷酸锂）+EC(碳酸乙烯酯）+DMC(碳酸二甲酯)

充电时锂离子从正极层状物的晶格间脱出，通过电解液迁移到层状负极表面后嵌入到石墨材料晶格中，同时剩余电子从外电路到达负极。放电则相反，锂离子从石墨晶格中脱出回到正极氧化物晶格中。

在充放电时锂离子在电池正负极中往返的嵌入——脱出，正像摇椅子一样在正负极中摇来摇去，故有人将锂离子电池形象的称为“摇椅电池”

由于LixC非常活泼，可以和水发生反应。故电解质选用可溶于有机溶剂的锂盐，但这也留下一个缺点：内阻相对于镍镉、镍氢电池大锂电池的负枝晶效应在充电的过程中，Li+从正极LiCoO2中脱出，进入电解液，在充电器附加的外电场作用下向负极移动，依次进入石墨或焦炭C组成的负极，在那儿形成LiC化合物。如果充电速度过快，会使得Li+来不及进入负极栅格，在负极附近的电解液中就会聚集Li+，这些靠近碳C负极的Li+很可能从负极俘获一个电子成为金属Li。持续的金属锂生成会在负极附近堆积、长大成树枝状的晶体，俗称枝晶另一种情形，随着负极的充满程度越高，LiC晶格留下的空格越少，从正极移动过来的Li+找到空格的机会就困难，时间就越长。如果充电速度不变的话，一样可能在负极表面形成局部的Li+堆积。因此，在充电的后半段必须逐步缩小充电电流枝晶的长大会刺破正负级之间的隔膜，形成短路。可以想象，充电的速度越快越危险，充电终止的电压越高也就越危险，充电的时间越长也越危险。锂电池的使用和保护由前所述，锂离子电池的电压过高或者过低都会造成严重问题根据实际使用情况，划分了锂离子电池电压的几个区域.不同的电芯制造商虽有区别但区别不大。高压危险区---------------保护线路过充保护电压(4.275~4.35V)高压警戒区---------------锂离子电池充电限制电压4.20V正常使用区---------------锂离子电池放电终止电压(2.75~3.00V)低压警戒区---------------保护线路过放保护电压(2.3~2.5V)低压危险区=====================锂电池充电的几个原则1.电流必须：

瞬时值<5C

平均值<1.2C2.充电电压都不能超过4.275，考虑到制造误差和温度漂移，一般充电电压设定不超过4.2V3.充电终止后不能接受涓流充电4.电压到达4.2V后充电必须在几个小时内完成，不能任意延长。这也是为什么TI,Intersil等充电芯片制造商要在芯片内内置安全定时器，确保在一定时间后切断充电违背上述原则都将产生“枝晶效应”，长期反复地违背这些规则，将会对电池的寿命产生极大的影响，甚至有安全问题上图就是一个典型的充电示意图，实线代表电流变化，虚线代表电压变化充电方法－线性恒流恒压法1.简单，很少的元件数2.小功率时的成本很低低噪声充电的效率通常较低，多电芯、高Adapter电压时的散热存在问题。如果待充电的电池电压在3.0~4.1V之间，Adapter的输出电压为5V，那么线性充电的效率就在60%~82%之间充电电流1A为例，充电器上的热耗散在2W~0.8W之间。而对于便携设备来讲，2W是一个非常可观的数字，结构设计师往往无法处理。充电方法－PWM恒流恒压法1.比线性方式更复杂,多了2个器件L,D42.效率更高，在大功率的时候成本反而有吸引力—-不需要特别的考虑散热措施

通常，一个设计良好的PWM充电电路在快速充电的效率在80%~95%之间，热量耗散只有线性充电的30%~60%在下图中D4起续流作用，把它改成MOSFET就变成了同步整流的PWM变换，单节电芯效率可以提高大约4~8%，双节电芯2~4%，但对3~4节的锂电池来讲变化不大。充电方法－限流恒压法优点：1、和线性一样简单、安全、低成本2、具有和PWM一样的低发热优点缺点：需要一个输出电压随输出电流增大而下降的Adapter充电方法的选择在小电流或低压差时首选线性恒流恒压法1.简单2.低成本3.应用手机、MP3

在大电流或高压差时首选PWM恒流恒压法1.高效率2.快速充电3.应用如笔记本电脑、便携式DVD等在电流较大，受到成本、空间或发热的限制，可以考虑选用限流恒压法1.兼有线性法和PWM法的优点：简单、低成本、低散热2.要求Adapter输出电压随电流的增加而下降，实质上是电源内阻效应的正面应用。充电终止电压对电池寿命的影响充电终止电压越高，电池的寿命越短，4.2V是这种函数关系的拐点

在4.2V附近，即使1%的电压误差将会导致寿命变化1/3，因此常规1%的终止电压精度其实是不够的，0.5％的电压误差会较好。充电终止电流对电池容量的影响1%的终止电压变化，将使容量改变8%，过充电会使得容量看起来更大，欠充电会使容量得不到充分的利用，由此可见，终止电压精度对于充电器是至关重要的参数。如果充电器电压精度均保证为0.5%，可以使电池的容量得到大约4%的改善充电终止算法及检测基于锂离子电池的结构特性，绝对的100%充电完成将耗费很长的时间，实际上是“不可能完成的任务”。在前面的终止充电电压和容量的关系图上可以看出，“没有最满，只有更满”

所有充电终止判断都是基于容量利用程度、充电时间、使用寿命以及安全程度之间的权衡因此,在工业界现在普遍使用“同时”满足下面的条件来判断充电饱和终