《线性稳压电源》课件

线性稳压电源稳定可靠的电源方案适用于精密电子设备课程目标1掌握线性稳压器基本原理2了解主要类型与特性3学习设计考虑因素4对比不同稳压技术什么是线性稳压器？电压调节装置将不稳定输入电压转换为稳定输出线性控制元件通过调整串联元件电阻实现稳压模拟电路连续调整工作状态确保输出恒定线性稳压器的基本原理检测输出持续监测输出电压比较参考与内部基准电压比较调整阻抗改变串联元件电阻值维持稳定保持输出电压恒定线性稳压器的工作原理1输入电压变化外部供电电压波动2反馈信号生成采样电路检测输出变化3误差放大比较器产生误差信号4调整导通状态控制元件阻抗变化线性稳压器的基本结构功率管元件主要功率控制元件1参考电压源提供稳定参考基准2误差放大器比较并放大偏差信号3反馈网络采样输出电压形成反馈4线性稳压器的主要组成部分调整晶体管可变电阻元件，控制电流基准电压提供稳定参考值放大电路检测并放大误差信号分压网络采样输出电压压控电流源的作用控制输出电流根据负载需求调整输出电流大小响应负载变化快速适应负载阻抗变化维持稳定输出确保在变化条件下输出稳定控制电路的功能检测偏差测量输出与参考值之间的差异产生控制信号生成相应的调整信号驱动功率元件调整功率管的导通状态保持系统稳定防止振荡和过度响应反馈环路的重要性检测输出持续监测输出电压值1比较基准与内部参考电压对比2调整输入修正控制元件状态3稳定输出使输出电压保持恒定4线性稳压器的类型串联型稳压器调整元件串联于电源和负载之间并联型稳压器分流元件并联于负载两端低压差稳压器特殊设计的串联型，压降小串联型线性稳压器输入电压不稳定的电源输入串联调整元件位于电源与负载之间控制电路根据反馈调整导通状态稳定输出向负载提供恒定电压并联型线性稳压器1输入电源通过限流电阻连接2并联调整元件与负载并联连接3分流电流控制调整分流电流大小串联型vs并联型：优缺点比较串联型优点效率较高适用于大电流结构简单串联型缺点压降损耗大热量集中并联型优点短路保护性好热分散并联型缺点效率低结构复杂线性稳压器的主要特性电压精度输出电压与标称值的偏差程度负载调整率负载变化时输出电压的稳定性纹波抑制抑制输入纹波的能力温度系数温度变化对输出的影响线性调整率定义输入电压变化对输出电压的影响程度计算方法输出变化量与输入变化量的比值典型值0.01%至0.1%，越小越好负载调整率负载电流(mA)输出电压(V)负载电流增加时输出电压略有下降，良好设计应保持曲线平坦纹波抑制比60dB典型PSRR值普通线性稳压器80dB高性能值高精度应用100Hz关键频率电源纹波常见频率输出阻抗定义稳压器输出等效阻抗影响因素反馈增益和输出电容重要性决定负载变化时响应速度优化方法增加反馈增益和输出电容温度系数温度每变化1°C引起的输出电压百分比变化典型值：50-100ppm/°C线性稳压器的设计考虑因素1功耗散热确保安全工作温度2稳定性防止振荡，保证动态响应3电气特性电压精度、纹波抑制4基本参数输入范围、输出电压、最大电流输入电压范围1最小输入电压输出电压+压降电压2最大输入电压取决于元件耐压能力3工作范围典型值为1.5-35V4电压裕度预留20%安全余量输出电压精度不同应用领域要求不同精度，精度越高成本越高最大输出电流小信号应用100mA以下中等功率100mA-1A大功率应用1A以上，需散热限制因素功率耗散和热管理能力压降电压定义维持正常工作所需最小输入输出电压差标准稳压器典型值2-3VLDO稳压器典型值0.1-0.5V影响因素功率元件特性和负载电流稳定性分析波特图分析评估相位裕度和增益裕度阶跃响应检查过冲和稳定时间补偿网络调整频率响应确保稳定线性稳压器的效率压降电压(V)效率(%)线性稳压器效率直接与压降电压相关，压降越小效率越高功率损耗计算计算公式P损=(Vin-Vout)×Iout示例12V→5V@1A：功耗=(12-5)×1=7W热等效几乎全部转化为热量热管理considerations计算结温Tj=Ta+P损×Rθja选择散热器根据热阻确定散热器大小热阻优化使用导热硅脂、PCB铜面温度监测热敏电阻或集成温度传感器线性稳压器的应用场景适用于需要低噪声、高精度电源的场合常见于模拟电路、音频设备、测量仪器低噪声应用音频设备降低底噪，提高信噪比RF电路减少相位噪声，提高接收灵敏度传感器供电确保精确测量，减少干扰医疗设备保证信号完整性和可靠性精确电压控制参考电压源提供高精度基准1ADC/DAC供电确保转换精度2测量仪器保证测量准确性3校准电路提供稳定基准电压4低压差线性稳压器（LDO）定义极低压降的线性稳压器压降值通常低于0.5V关键特性高效率、低噪声、小体积典型应用移动设备、后级稳压LDO的特点和优势低压降输入输出压差小电池供电设备理想选择高效率在小压差条件下效率高发热少，节约能源低噪声无开关噪声适合噪声敏感电路快速响应瞬态响应快负载变化时稳定性好LDO的内部结构功率MOSFET通常为PMOS或NMOS1误差放大器检测并放大偏差2带隙基准提供稳定参考电压3保护电路过流、过热保护4PMOSvsNMOSLDOPMOS优点无需升压压降更低噪声低PMOS缺点启动响应慢较大体积NMOS优点成本低芯片尺寸小NMOS缺点需要栅极驱动压降较大LDO的应用领域移动设备手机、平板、可穿戴设备物联网节点传感器、无线模块供电图像设备数码相机、监控设备处理器供电FPGA、DSP、MCU核心电源线性稳压器的补偿技术1相位裕度确保至少45°相位裕度2频率响应调整开环增益曲线3极点管理控制主导极点位置内部补偿1集成补偿电路芯片内置RC网络2优点使用简单，无需外部元件3缺点固定补偿，适应性有限4应用范围负载条件稳定的场合外部补偿输出电容补偿通过选择合适ESR的电容前馈补偿加快大信号响应速度RC网络添加外部补偿元件输出电容的选择电容类型陶瓷电容铝电解电容钽电容容值范围典型值1-100μF根据负载选择稳定性影响容值过小易振荡容值过大响应慢ESR的影响ESR值(Ω)相位裕度(°)输出电容ESR值对稳压器稳定性有显著影响，存在最佳范围线性稳压器的保护电路过流保护防止过大负载电流过热保护防止芯片过热损坏过压保护保护负载免受过高电压反向保护防止输入极性反接过流保护电流限制限制最大输出电流在安全范围折返限流过流时降低输出电压热关断持续过流导致温度升高触发关断过热保护温度监测内置温度传感器监测芯片温度阈值比较与预设阈值比较（通常150°C左右）触发关断温度超过阈值时关闭输出自动恢复温度下降后自动恢复工作反向电流保护二极管保护防止电流从输出回流到输入MOSFET保护使用MOSFET体二极管阻断反向电流集成保护芯片内置反向电流检测电路线性稳压器的性能优化1超低噪声噪声灵敏应用2高PSRR抑制电源干扰3快速瞬态响应应对负载变化4基本性能精度和稳定性提高PSRR的方法1前级滤波输入端LC滤波减少纹波2增大环路增益提高反馈回路增益3带隙优化改进基准电压源设计4多级结构级联多个稳压器增强抑制降低噪声的技巧1低噪声元件选用低噪声元器件2带宽限制合理控制环路带宽3后级滤波输出端添加LC滤波网络4星形接地优化PCB布局减少地环路提高瞬态响应扩大带宽提高环路响应速度前馈路径添加快速响应通路输出电容优化合理配置电容值与ESR驱动能力增强改善功率管驱动电路线性稳压器vs开关稳压器线性稳压器简单易用低噪声低纹波开关稳压器高效率低发热宽输入范围效率比较线性稳压器效率(%)开关稳压器效率(%)输入输出电压差越大，线性稳压器效率劣势越明显噪声性能比较线性稳压器噪声通常在10-100μVrms开关稳压器噪声可达数mVp-p尺寸和成本比较线性稳压器元件少占板面积小设计简单需要散热开关稳压器元件多需要电感EMI考虑散热需求小选择指南123选择线性稳压器低噪声应用小电流场合压差小选择开关稳压器高效率要求大电流应用压差大混合方案开关+LDO级联兼顾效率和噪声线性稳压器的未来发展趋势90%更高效率超低压降LDO1μV超低噪声精密应用需求0.1%高精度参考级精确度更高效率的设计1新型半导体材料GaN、SiC功率器件2动态偏置技术根据负载调整静态电流3电荷泵辅助混合结构提高效率4数字辅助控制优化工作点提高效率集成更多