穩(wěn)壓芯片(如LDO?開關穩(wěn)壓器等)在實際電路設計中,必須配合其他外圍元器件才能穩(wěn)定?可靠?安全地工作?這些配套元器件的作用包括濾波?儲能?反饋?保護?散熱等?以下是最常見的配套元器件及其作用:
一?核心必備元件
- 輸入/輸出電容:
輸入電容(Cin):
作用: 儲能(平滑輸入電壓)?濾除輸入端的噪聲和紋波?提供芯片啟動/負載突變時的瞬時電流?
類型: 通常使用 陶瓷電容(MLCC) (低ESR,高頻特性好),有時并聯(lián) 鋁電解電容或鉭電容 (容量大,低頻儲能)?靠近芯片輸入引腳放置!
輸出電容(Cout):
作用: 穩(wěn)定輸出電壓?降低輸出紋波和噪聲?提高瞬態(tài)響應能力?環(huán)路穩(wěn)定性關鍵元件(尤其LDO)?
類型: 首選 低ESR陶瓷電容(MLCC)?某些芯片(如部分LDO)對ESR有特定要求,可能需要特定系列或并聯(lián)電容?大電流或高紋波場合可并聯(lián)電解電容?靠近芯片輸出引腳放置!
容量選擇: 嚴格遵循芯片數(shù)據(jù)手冊推薦值,通常有最小值和類型要求?過小可能導致不穩(wěn)定或紋波過大;過大可能增加成本和尺寸,啟動時沖擊電流大?
- 反饋電阻網(wǎng)絡(可調(diào)輸出穩(wěn)壓器):
作用: 對于輸出電壓可調(diào)的穩(wěn)壓器(如LM317?開關電源的FB引腳),通過電阻分壓網(wǎng)絡將輸出電壓的一部分反饋給芯片內(nèi)部的誤差放大器,設定精確的輸出電壓?
選擇: 使用精度較高(如1%)的電阻?阻值選擇需參考數(shù)據(jù)手冊,通常反饋電流很小(uA級),阻值在kΩ級別(如幾十kΩ),避免過大(易受噪聲干擾)或過小(增加功耗)?計算:`Vout = Vref (1 + R1/R2)`?
二?重要增強/保護元件
- 續(xù)流二極管(開關穩(wěn)壓器 Buck拓撲):
作用: 在Buck(降壓)轉(zhuǎn)換器中,當開關管(通常是內(nèi)部MOSFET)關斷時,為電感電流提供續(xù)流回路,維持電流連續(xù)?
類型: 必須使用快速恢復二極管或肖特基二極管(低正向壓降Vf,快速開關特性)?普通二極管不適用!
選擇: 額定電流需大于最大輸出電流,反向耐壓需大于最大輸入電壓?靠近芯片SW引腳和電感放置!
- 功率電感(開關穩(wěn)壓器):
作用: 開關電源(Buck, Boost, BuckBoost)的核心儲能元件?通過開關管的通斷控制,在儲能(電流增大)和釋能(電流減小)過程中實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換和濾波?
選擇: 關鍵參數(shù)包括電感值?飽和電流?直流電阻?自諧振頻率?
電感值: 嚴格按數(shù)據(jù)手冊公式計算或推薦值選擇?太小導致紋波電流大?效率低?可能不穩(wěn)定;太大導致動態(tài)響應慢?體積大?成本高?
飽和電流: 必須大于電路中的峰值電流(通常為最大輸出電流+1/2紋波電流),否則電感飽和失效?
DCR: 直流電阻越低,導通損耗越小,效率越高?
類型: 常用屏蔽功率電感(降低EMI)?靠近芯片SW引腳和續(xù)流二極管放置!
- 自舉電容(開關穩(wěn)壓器 高邊驅(qū)動):
作用: 對于采用N溝道MOSFET作為高邊開關的Buck芯片,需要自舉電路為其柵極提供高于輸入電壓的驅(qū)動電壓?自舉電容為該電路儲能?
選擇: 使用低ESR陶瓷電容,容量嚴格按數(shù)據(jù)手冊要求(通常0.1uF 1uF)?靠近芯片BOOT和SW引腳放置!
- 輸入保護二極管:
作用:
反接保護: 在輸入端串聯(lián)一個二極管(防止電源反接損壞芯片)?會帶來壓降和功耗?
反向電流阻斷: 防止輸出端電壓高于輸入端時(如掉電?熱插拔)電流倒灌損壞芯片或輸入端電容?通常使用肖特基二極管(低壓降)?
選擇: 額定電流和電壓滿足要求,考慮功耗?
三?特定情況/增強性能元件
- 使能/關斷(EN/SHDN)上拉/下拉電阻:
作用: 為穩(wěn)壓器的使能引腳提供確定的高電平(開啟)或低電平(關閉)狀態(tài)?避免浮空導致意外行為?
選擇: 阻值較大(如10kΩ 100kΩ),功耗忽略?
- 軟啟動電容:
作用: 控制穩(wěn)壓器(尤其是開關穩(wěn)壓器和大電流LDO)啟動時的輸出電壓上升斜率?限制啟動時的浪涌電流,防止輸入電壓跌落或輸出過沖?
實現(xiàn): 連接到芯片的軟啟動引腳(SS)?電容充電時間決定啟動時間?
- 補償網(wǎng)絡:
作用: 某些穩(wěn)壓器(特別是開關電源)可能需要外部RC網(wǎng)絡來優(yōu)化控制環(huán)路的穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應?
選擇: 必須嚴格遵循數(shù)據(jù)手冊的設計指導?隨意更改可能導致振蕩或不穩(wěn)定?
- 散熱器/散熱措施:
作用: 對于中高功率應用,芯片自身功耗`P = (Vin Vout) Iout`(LDO)或開關損耗(開關穩(wěn)壓器)會產(chǎn)生熱量?必須保證芯片結(jié)溫不超過安全值?
措施:
PCB銅箔散熱: 充分利用芯片的散熱焊盤(Pad),設計大面積鋪銅并連接到地平面,使用過孔陣列將熱量傳導到內(nèi)層或背面銅層?
外部散熱片: 當PCB散熱不足時,需在芯片封裝上加裝散熱片?
強制風冷: 極端情況下需要風扇?
- EMI濾波器:
作用: 開關電源會產(chǎn)生高頻開關噪聲,可能干擾其他電路或傳導回電網(wǎng)?在輸入端增加共模電感?差模電感?X電容?Y電容等構成濾波器?
選擇: 根據(jù)噪聲頻譜和EMC標準要求設計?
- TVS二極管/壓敏電阻:
作用: 在輸入端提供瞬態(tài)過壓保護(如浪涌?靜電放電),吸收高能量脈沖,保護穩(wěn)壓芯片?
選擇: 鉗位電壓需低于芯片最大耐壓,能量吸收能力滿足要求?
- 保險絲:
作用: 在輸入電源線上串聯(lián),防止后級電路(包括穩(wěn)壓器)發(fā)生嚴重短路故障時引發(fā)火災或損壞電源?常用自恢復保險絲(PPTC)?
選擇: 額定電流略大于最大工作電流?
總結(jié):配套選擇的核心原則
- 數(shù)據(jù)手冊至上: 絕對優(yōu)先?嚴格遵守芯片制造商提供的官方數(shù)據(jù)手冊(Datasheet)和應用筆記(Application Note)?上面有最準確?最完整的推薦電路?元件參數(shù)計算方法和布局指南?
- 靠近放置: 輸入/輸出電容?續(xù)流二極管?功率電感?自舉電容等高頻?大電流路徑上的元件必須盡可能靠近芯片相應引腳放置,以最小化環(huán)路面積和寄生參數(shù)(電感?電阻),這對穩(wěn)定性?效率和EMI至關重要?
- 考慮實際工況: 選擇元件參數(shù)時考慮最惡劣的工作條件(最高/最低輸入電壓?最大輸出電流?最高工作溫度)?
- 穩(wěn)定性優(yōu)先: 特別是輸出電容和(如果需要)補償網(wǎng)絡的設計,直接關系到系統(tǒng)是否振蕩?
- 散熱設計: 務必進行熱設計計算,確保芯片結(jié)溫在安全范圍內(nèi)?
- 保護機制: 根據(jù)應用環(huán)境考慮是否需要反接保護?過壓保護?過流保護(保險絲)等?
簡單來說:設計一個可靠的穩(wěn)壓電源電路,絕不僅僅是選一個穩(wěn)壓芯片那么簡單?理解其工作原理,并嚴格按照手冊精心選擇和布置外圍元件,是成功的關鍵? 忽視任何一個環(huán)節(jié)都可能導致電路不穩(wěn)定?效率低下?發(fā)熱嚴重甚至損壞?
