目录

有名的电源芯片品牌
DCDC电源分类
    开关电源vs线性稳压器
    线性电源
        参数
    线性电源工作原理
    集成稳压器
        78/79系列（固定输出电压）
            正、负对称输出两组电源的稳压电路
            扩展输出电压
            扩大输出电流
        LM317/LM337（可调输出电压）
            正、负对称输出两组电源的稳压电路
    LDO
        MOS工艺LDO的缺陷
        双极工艺LDO的主要性能和优势
        电流扩展
        输入输出电容
        SHDN端的处理
        反馈电路设计要点
        PCB电路设计
        利用电容倍增器降低纹波
        备份电源设计
        可控关断设计
        负压产生设计
        并联问题

老师的主页：唐老师讲电赛
视频地址：
电源大师1——DCDC电源分类：线性电源、开关电源、电荷泵
电源大师2——线性电源数据手册、线性电源PCB设计、模数设计实战
唐老师讲电赛之唐老师讲DCDC开关电源（1）线性电源与开关电源基础知识
有名的电源芯片品牌

   美国：TI、ADI、MPS
   中国台湾：RICHTEK（台湾立锜科技）、矽力杰(SILERGY)
   中国大陆：南芯（多为晶圆倒装工艺，QFN封装，对普通DIY用户不友好）

DCDC电源分类

简易稳压电路：输出电压 V O V_O VO​ = 稳压管18V - 三极管 V E B V_{EB} VEB​ = 17.3V

下图为线性电源和开关电源体积的比较

上图红色标注地方分别是一个2.5W的LDO和一个6w的开关电源，两者功率相差2.4倍，但开关电源的面积仅是LDO的1/4不到，也就是说开关电源的损耗大大减少了，能够承受更高的热阻，减少散热的面积。
如果说输入与输出之间压差较低的情况下，可以使用LDO，但压差较大的情况下，建议使用开关电源。当然，开关电源也有它的劣势，它的输出会有噪声、振铃、跳变，而LDO则不会。某些场合的负载对电源的电压是很敏感的话，可以在开关电源后面载加一级LDO，例如我们要把5V转为1.2V，如果直接有LDO的话，效率可能只有20%，但我们可以把5V用开关电源变为1.5V，再用LDO把1.5V转为1.2V，这样，效率就会高，是一个比较优化的设计。
如下图所示，DCDC + 滤波电路 + LDO实现1mv纹波的供电

开关电源vs线性稳压器

开关电源

能够提升电压（升压）
以及使电压减低（降压）甚至反相
具有较高的效率和功率密度

线性稳压器

只能实现降压
输出电压相对更稳定

线性电源
参数

V I N V_{IN} VIN​：输入电压
V O U T V_{OUT} VOUT​：输出电压，有的为定值，有的可通过分压电阻调节。
电压差：称为压降(Dropout Voltage)
       输入电压要大于输出电压+电压差
               V I N ( i n c l u d i n g R i p p l e ) ＞ V O U T + V D r o p o u t V_{IN} (including Ripple)＞V_{OUT} + V_{Dropout} VIN​(includingRipple)＞VOUT​+VDropout​
       如7805输出电压为5V，压差最小为2.5V，则输入电压应>7.5V
       LM317压差为3V

   线性稳压器的分类主要是看其内部的功率管，可分为双极型和MOS型两大类。双极型中又分为NPN和PNP两个小类。同样MOS型中也分为N沟道和P沟道两个小类。下表将这几种稳压器的结构和压降进行了对比。

Ube ≈ 0.7V
Uce ≈ 0.3V

噪声：Output Noise Voltage，单位一般为 μ V R M S μV_{RMS} μVRMS​
I q I_q Iq​：静态电流——空载时的电流
I O U T I_{OUT} IOUT​：最大输出电流
η：效率 ≈ V O / V I V_O/V_I VO​/VI​
       来自输入的电流有一部分不流向负载而是流入GND，这个电流称为对地电流，是线性稳压器自身的工作电流。跟给负载提供的电流相比，这个电流只是很小的一部分。在高负载电流时，消耗在线性稳压器内部功率管上的功耗是影响效率的主要原因。在空载或者小负载（例如小于1mA）时，对地电流是影响效率的主要原因。



       对地电流会随着温度、负载电流和输入电压变化。随温度变化是内部晶体管的温漂特性：随负载电流变化是因为内部放大器给功率管提供基极/栅极电流所致，流过功率管的电流越大对地电流越大：随输入电压变化是因为输入电压同时给内部放大器、基准源供电，电压升高则相应功耗增加。对地电流的变化趋势如下图：



       需要注意的是，在设计低功耗的电路时，对地电流的大小就显得格外重要。它将影响电路的效率，或者说影响电池的使用时间。例如LM1117的对地电流在5mA，7805的对地电流4.5mA，这些线性稳压器的自身消耗电流比MSP430处理器还多，所以低功耗中应该选择LP2950（静态电流在75uA），TPS78001（静态电流500nA），这类的稳压器。




效率等于输出功率比上输入功率，由于线性稳压器的输入电流等于输出电流这个特性（IGND是其自身耗电电流，可以忽略），分子和分母上的电流相消，效率就近似等于Vout/Vin.
       从效率公式中可以看到，要提高线性稳压器的效率就要尽可能的减小Vout和Vin的电压差，如果Vout=Vin则效率为100%，LDO稳压器一般用MOS管改善效率。下面介绍一种TI的提高效率的电源技术，如下图所示：



       将电源内部单元的供电引出片外（ V B I A S V_{BIAS} VBIAS​ TPS74701芯片），由这个管脚给芯片内部供电。这样Vin就更为灵活，不用再给内部供电，只需要给Vout供电即可，Vin可以摆脱内部最小工作电压的限制。采用这种技术后效率改善情况如下表：



可以看到效率从36%提高到80%，带 V B I A S V_{BIAS} VBIAS​功能的电源芯片的典型应用如下，Vin来自上一级开关电源的输出， V B I A S V_{BIAS} VBIAS​来自干路。这样既可以满足LDO的内部工作电压，又可以降低Vin.

 

线性电源工作原理

II​=IC​， I O = I E，
三极管的IC​=IE​，
所以消耗在线性电源上的功率为(UO​−UI​)×I非常高。
效率为输出电压除以输入电压。压差越大效率越低。

集成稳压器
78/79系列（固定输出电压）

压差为2.5V

正、负对称输出两组电源的稳压电路

扩展输出电压

扩大输出电流

R用于限制流经芯片的电流和产生开启压降，若取R = 22Ω，0.7/R ≈ 32mA，即输出电流小于32mA时，主要由LM317供电，大于32mA后，功率三极管开启，主要由其供电。

LM317/LM337（可调输出电压）

压差为3V，R1一般取120~240Ω

正、负对称输出两组电源的稳压电路

LDO

   以下大部分内容来自《高耐压低压差低耗电线性稳压器RT9068使用说明》
   一些常见的芯片：AMS1117、RT9013、TPS7A4901

   极端例子：

NCP785A（10mA）—— 输入电压可达450V
XC6504 —— 不需要输出电容的LDO
TPS7350系列 —— 压差低至35mV @100mA

   LDO即Low dropout regulator，是一种低压差线性稳压器。这是相对于传统的线性稳压器来说的。传统的线性稳压器，如78XX系列的芯片都要求输入电压要比输出电压至少高出2V~3V，否则就不能正常工作。但是在一些情况下，这样的条件显然是太苛刻了，如5V转3.3V，输入与输出之间的压差只有1.7v，显然这是不满足传统线性稳压器的工作条件的。针对这种情况，芯片制造商们才研发出了LDO类的电压转换芯片。

   当输出电压低于输入电压时，必须从负载电源和压降比来考虑要采用线性稳压器（LDO）或降压转换器（Buck）
   低压降线性稳压器（LDO）适合用在需求低噪讯、低电流和低压降比的应用中。
   LDO透过线性的方式控制被动组件的导通来调节输出电压。线性稳压可提供准确而无噪讯的输出电压，并且对负载变化有很快的反应速度。
   但线性稳压的作法，也代表输入输出间的压差乘上其平均负载电流会转换为LDO被动组件的功率耗散。功率耗散的计算如下：
    P D = ( V I N − V O U T ) × I L O A D P_D=(V_{IN}-V_{OUT}) × I_{LOAD} PD​=(VIN​−VOUT​)×ILOAD​
   可见，高压降比和高负载电流会产生较高的功率耗散。
   愈高的功率耗散一般需要愈大的LDO封装尺寸，这将增加整体成本、PCB面积，以及应用系统的运作温度。
   当LDO功率耗散高于0.8W左右时，转为使用降压转换器（Buck）是较明智的作法。
   挑选LDO时，必须考虑输入和输出的电压范围、LDO的负载能力，以及芯片封装的功率耗散能力。LDO的输入输出电压差比需高于额定最小电压差（Dropout Voltage），亦即 V I N − V O U T V_{IN}-V_{OUT} VIN​−VOUT​ > Droput Voltage，否则LDO无法正常运作。
   在微电力应用中（例如必须靠单一电池支持数年电力的产品）使用LDO时，必须注意选用低静态电流（ I Q I_Q IQ​）的LDO以避免不必要的电力浪费。
   低压差线性稳压器应用电路

   低压差线性稳压器（LDO）基本电路示意图如下

在实际的线性稳压器中，实现调压功能的关键组件是一个调整管，它就像一个可变电阻一样串接在供电源和负载之间，当输入电压或是负载电流发生变化时，受误差控制电路驱动的调整管就及时调整其呈现出来的电阻量，使得负载端的电压总是处于恒定状态，下图展示了这一系统的结构：

从上图中我们可以看到，线性稳压器的压差（Drop Out）= Vin-Vout = Iout*R，其中Iout是由负载决定的，R则是调整管本身的特性，只有R可以足够小，压差才可以足够小，所以最小的R就成了器件的关键特性之一。但要测量一个器件的最小R可不容易.这项指标就被转化为一定负载电流下的最小压差，这不过是欧姆定律的一项简单应用而已，所以已被广泛接受。

   要用最低的成本实现最小化的R，最好用的方法是采用nMOSFET来做调整管，但nMOSFET需要使用高于其源极的电压去驱动其栅极，这样就需要使用高于输出电压至少1V以上的电压源来做驱动。正像下图所示的那样，因为系统中有多种电压源，所以可以利用一个更高电压的电源作为V-bias来使用。

   但在很多系统中，我们可能没有更高电压的电压源可供使用或是使用起来不方便，这时就只有单一的电源供应了。在此情况下继续采用nMOSFET作为调整管就意味着输入输出间的压差必须高于1V，为了摆脱这种限制，采用pMOSFET做调整管的器件就成了市场上的主流，因为它的驱动电压是低于输入电压的，而成本也是接近最优化的。下图显示了这种稳压器的结构：这两种LDO都是MOS工艺的产品，在性价比方面是无与伦比的，又能满足大多数系统的需要，所以成为了目前市场上的主流产品。

MOS工艺LDO的缺陷

   虽然具有性价比优势，使用MOS工艺设计制造的产品却有自己难以克服的一些缺陷，这些缺陷在某些应用中可能是难以被接受的。

在MOS工艺的LDO中存在从输出端到输入端之间的寄生二极管。当输入端电压低于输出端电压时，将有电流从输出端经此二极管流向输入端当流入输入端的电荷累积起来形成的电压超过器件的启动电压时，其调整管甚至会进入导通状态。这种效应在某些情况下可能是不希望发生的。
MOS工艺器件是最害怕静电的。为了防范静电可能带来的危害，通常会在各个端子和地之间放置静电泄放二极管。这样一来，如果输入电源的极性错了，那么此二极管就会直接导通流过大电流并最终被烧毁，最轻的损失是烧坏器件，严重的情况下甚至有可能造成火灾等事故。所以，在某些容易出现电源极性错误的地方就必须增加防范措施，这些措施既可能是采用电路来实现的，也可能要采用机械式的结构来完成。
MOS工艺是从材料的角度对工艺进行描述的，它代表金属、氧化物和半导体，但在对其结构和原理进行描述时，我们会说它是绝缘栅型场效应晶体管，这时候我们可以意识到它的栅极和沟道之间是绝缘的。可是在现实中，这种绝缘是会有漏洞的，它也容易受到伤害，并且会逐渐地加重，在此过程中它看起来仍然是好的，直到某个时刻这种漏洞不能再被容忍时问题就表现出来了，这是关于可靠性的问题。更糟糕的是你不能用简单的方法把它筛选出来，你只能等着问题的发生。

双极工艺LDO的主要性能和优势

   问题的存在正是创新的机会，但这更像是复古，因为早期开发的双极工艺正是这些问题的克星，而且早期的线性稳压器都是用双极工艺来设计制作的，最典型的产品就是常用的7805之类的产品，但是7805采用的是NPN管子做调整管，所以它的最小压差高于1V（一般为2V），那时候也没有人会把它称为LDO，只是后来真的有了具有更低压差的产品，LDO这个形容词才有了上场的机会。在一些环境比较恶劣、要求比较苛刻的应用中选择使用双极工艺的LDO仍是有必要的。
   在这些特性中，双向的高耐压是很多传统产品都能具备的，低压差也是有些传统产品可以有的特性，因为只要使用PNP做调整管就比较容易做到，但低耗电设计就有许多的讲究。我们都知道NPN和PNP管是依靠电流去驱动的，而管子的电流放大系数总是有限的，所以就要求足够大的驱动电流，这些电流就成了器件的静态电流，这种静态电流有一部分基本不会随着负载的变化而变化，有一部分则会随着负载电流的变化而变化，怎样把不必要的消耗降到最低，这就需要进行精心的设计才能达成，而这样的处理也会造成器件成本的上升。

与常见的MOS工艺的器件相比，RT9068的优越性首先是体现在这里：可以承受错误极性的电源输入。在实际的设备测试、使用过程中，加入电源的极性错误是很容易发生的事情，为了防范这一问题带来的毁灭性打击，我们常常需要加入防反向二极管或是机构上的防范措施，这些措施无疑是在增加成本、降低性能的，有了RT9068的抗极性错误的能力，这种错误所带来的损失就被自然地杜绝了。
如图所示，在使用RT9068时，其中的防范电源极性错误的二极管是不需要的。除此以外，RT9068还能对抗错误施加在输出、输入之间的电压，因为它的输出、输入之间也是相互隔离的，其对抗能力也是达到了-80V~60V，是双向的。在应用中，我们不必担心出现在输出端的电压会进入输入端，这在某些应用中可能是绝对不能出现的现象，如图所示，其中的防反向二极管是不需要的。
与传统的7805等线性稳压器相比，RT9068也表现出巨大的优势。首先是耐压提高了，正常工作电压已经到了60V；其次是自身耗电也就是静态电流大大降低到了30μA的典型值，最大也只有40μA；还有一个好处是输入输出之间的压差大大缩小。这些好处综合在一起，就使得它可以满足很多环境苛刻的应用的需要，例如车载电子设备、工业控制设备、电池供电设备等都是它发挥专长的地方。
电流扩展

   出于满足宽输入电压范围的考虑，RT9068在设计上仅考虑为负载提供50mA的电流。在输入电压很高的情况下，小小的电流就会造成很大的功耗，所以我们通常并无必要提供大电流输出能力，真有这样的需求时，我们完全可以采用Buck架构的降压电路来满足很多应用的需求，甚至Buck + LDO的架构也可以被考虑，但由于Buck的引入，开关噪声也被引入了，这在某些应用中可能是不能容许的，这时候就必须使用大电流的线性稳压器。此时，下述电路可以派上用场：这是一个电流扩展电路，通过外加的晶体管将电流扩展到能够满足实际需要的水平。

   由于大电流晶体管的电流放大系数通常不是很大，RT9068输出的最大50mA的额定电流不一定能满足晶体管驱动的需要，这时，你可能就需要使用达林顿晶体管来实现此电路，同时也不要忘了要考虑前一小节提到的功耗问题和散热问题，否则就可能前功尽弃了。上述电流扩展电路也是有缺陷的，那就是从某种程度上失去了RT9068本有的限流功能。从理论上看，RT9068的输出电流是有限的，晶体管的电流放大系数也是有限的，所以两个有限的东西结合在一起也是有限的。但是不同晶体管的电流放大系数本身会有不同，不同的RT9068芯片的电流限制值也会有不同，它们两个相乘之后的积的分布范围就会很大了，这和实际需要的电流限制值的要求可能是相差甚远的，所以在必要时可以采用下述的电路来增加限流能力：

此电路的限流功能是通过R3的负反馈来实现的。当电流流过R3时形成的电压降使得落在晶体管基-射之间的电压不能使得其电流再增加时，限流作用就呈现出来了。设计时要注意晶体管基极到最后的输出端之间的电压是被两个串联的二极管所钳制的，如果RT9068试图通过提高其VOUT端的输出电压来增加输出电流，其增加的输出就会通过两个二极管流向VOUT端，从而使得这一愿望落空。
如果没有这两个二极管的存在，上述的限流作用是无法实现的，那只是前一个电路的翻版而已。
当然了，限流电路的加入也带来了不足，那就是输入输出端之间的最小压差加大了，这在某些应用中可能带来了新的限制，这是需要被关注的，改善这一参数的方法是精心选择具有合适正向压降的二板管和其他的配套参数。有兴趣的朋友还可以去尝试其他方法，例如使用运算放大器来做电流反馈就是更有效的方法，只是这样的设计就更复杂了。
输入输出电容

   一般在手册中会给出。对于通常的稳压电路来说，输入端和输出端的电容是必不可少的保证系统能够总是处于稳定状态的器件。传统上的很多稳压器需要使用铝电解电容之类的ESR比较高的电容，因为ESR能够带来电流反馈的效果，ESR越大，反馈信号就越高，系统越容易进入稳定状态。
   RT9068被设计成能够和ESR很低的MLCC匹配工作的样子，实际上它可以和任何一种电容匹配工作，而且要求的电容量并不是很大，只要有1μF的输出电容就可以了。
   对于输入电容，RT9068只需要0.1μF即可。但很多电容在高压下工作时的实际电容量都会下降，MLCC表现得尤其严重，所以建议最好使用0.18μF以上的电容以确保在任何情况下都能稳定工作。

SHDN端的处理

   SHDN是RT9068的关机控制信号输入端子，当此端子上的电压在2.2V以上时，输出被关闭，器件整体进入低功耗状态，输入端的最大输入电流小于10μA（典型值只有2μA）。

SHDN也被设计成具有承受-60V~80V电压的能力，所以可以直接被设置置位于输入电压上，但如果需要长期如此，最好在其间串联一个10kΩ以上的电阻。
只要将SHDN置位于0.6V以下的电压，RT9068就会进入正常的输出状态，开始去完成它应有的使命。
要注意的是不要让SHDN处于浮空的状态，因为这时候它的状态可能是不确定的，器件整体也可能随之处于不确定的状态，这是任何人都不希望看到的。
反馈电路设计要点

   反馈电路的作用是对输出电压信号进行取样，取样信号被送入误差放大器与内部参考电压进行比较，其间的差值经过放大以后被送去调整PNP调整管的导通程度，最终使输出电压总是处于设定的状态下。
   固定输出电压的RT9068的反馈电路位于IC内部，所以不需要在设计时进行干预。
   可调输出电压的RT9068的反馈电路就处于外部，这是我们需要关注的部分。
   如果一个设计的输出电压低于25V，可以使用下图所示的电路：
 

PCB电路设计

这个图其实是在向我们传递这样的信息：

输入电容和输出电容要放置在紧靠VIN，VOUT和GND的地方；

输入要经过输入电容 C I N C_{IN} CIN​以后再进入IC；

反馈信号要从输出电容的接近负载一侧获得；

输出要经过输出电容以后再引出到负载；

输入和输出侧的地要在IC处合在一起成为公共点；

尽量加大焊盘面积，这样做对降低热阻、加强散热有好处。

如果使用外部反馈电路，反馈组件R1R2应当放置在靠近IC的地方，FB覆盖面积越小越好。在这个图中，它被隐含地放置在IC的内部，再也没有比这更近的位置了。

模拟电源层与数字地层不应有重叠。信号层应有相应的地层。


模数分割

两种处理方法：一种如上图所示
还有一种是AGND和DGND分开，单点相连，LDO的输出先给模拟电路供电，然后再电感滤波以后给数字电路。

利用电容倍增器降低纹波

（5.4uVp-p/111dB）超低纹波5V/1.5A线性稳压电源电路
发一个（5.4uV p-p / 111dB）超低纹波5V/1.5A线性稳压电源电路 —— vivalite

因为产品体积和对电源稳定度的高要求，在常规线性稳压电路前增设了一个预滤波电路，Q1，R14，C11组成了电容倍增器，实际相当于2法拉的电容滤波效果。实际在版测试Q1集电极处纹波2V左右，Q1发射极纹波2.543mV，电源电压抑制比 20 l o g ( 2 / 0.002543 ) = 57.913 d B 20log(2/0.002543)=57.913dB 20log(2/0.002543)=57.913dB，预滤波后通过5V线性稳压器LM1086-5滤波稳压，输出电压5.001V，纹波5.4uV（总PSRR>111dB）。当然如果按照LM1086-5的68dB PSRR算理论纹波值应该是1uV，但考虑到器件及电路热噪声（镀银电路板，连接线为屏蔽多股银线）、空间辐射（已适当屏蔽）、万用表精度等这个结果应该说相当不错，做19位ADC参考电压都可以了。仿真时纹波<1μV，测试结果纹波5.4μV
备份电源设计

可控关断设计

负压产生设计

传统的LDO不能并联:
相关讨论见 可不可以多片LM1117并联供电?

《Connecting LDOs in Parallel》：

TI给出的方案：TIDA-00270 参考设计、TIDA-00863——采用 TPS7B4253-Q1 的 LDO 并联解决方案参考设计
电流均流双路LDO：

而电流源型LDO可以并联。
同相输入端的电压等于电流源乘以RSET​