Re:从零开始的硬件八股——电源篇
开始我的硬件人八股系列(自己结合网上的帖子整理)
电源
纹波是如何产生的
纹波是产生是由于负载不同工作状态下的电流不同而产生的
LDO由于是线性稳压器,其输入电流=输出电流,因此其纹波很小
DCDC由于开关的反复开断,电路中电感和电容交替放电,因此其输入电流≠输出电流,纹波很大
LDO工作原理(LDO内部电路)
LDO是低压差线性稳压器,输入电压通过LDO稳压至目标输出电压,输入电流等于输出电流,其效率为输出电压和输入电压之比。
低压差:输入电压与输出电压之间的压差很小的情况下,仍然正常工作( LDO只需要几百毫伏的差异)
线性:是指LDO通过一个线性控制元件(如PNP型三极管)的导通程度来调节输出电压,可以实现输出电压的连续变化(而不是像DCDC的开关切换来控制电压变化)
稳压器:无论输入电压多少,都能输出稳定的目标输出电压
LDO为什么叫低压差线性稳压器
DCDC工作原理
DCDC有BUCK、BOOST、BUCK-BOOST
- DCDC的工作原理是通过开关的快速导通和关断,使其拓扑电路处于不同的工作状态的循环,使电感和电容储能和放电,形成输稳定出电压
- BUCK电路
- BOOST电路
DCDC频率的影响
开关频率影响着EMC、电感电容的大小
- EMC:
- 电感电容:开关频率慢的时候充电时间长,导致电感↑,电容↑,需要大电感和电容来存储能量;反之开关频率快的时候充电时间短,一次充电的时间不会那么长,需要小电感和小电容。
- 损耗:频率低->损耗小,效率高
如何选择开关电源的电容和电感
- 从手册中来看,电感的选择需要根据频率大小来确定。一般的电感范围是2.2-10mh(2.2 3.3 4.7 6.8 10)
- 电容的选择根据电感来
以BL8032为例,手册中关于电感的说明如下:
开源看出电感的值是由输入输出电压,纹波电流和开关频率决定的,而纹波电流一般是额定电流是30%,因此通过这个公式可以算出电感的一个最小值,然后结合电感常用的型号有2.2、3.3、4.7、6.8、10mh,选择一个比最小值再大的电感就行,注意电感电流也要满足额定电流的大小
DCDC电路BST和SW角之间电容的作用
(80%-90%都是0.1uf),这个电容做什么用呢?
- BST引脚是Boost引脚,它控制开关管的导通和关断
- SW引脚是Switch引脚,它是开关节点,当开关导通时连通电感一端的电路
- 0.1uF电容连接在BST和SW之间,当开关管关断时会充电存储能量,当开关管再次导通时,会把能量提供给BST引脚使开关管能够顺利开通。因此我理解这个电容是给驱动做电源使用,而0R电阻是调EMC的时候用的。
LDO和DCDC的区别/优缺点
LDO | DCDC | |
纹波 | 小(基本没有) | 大(纹波很多) |
效率 | 低(能量浪费,产生热量,功耗) | 高(一般>80%) |
设计 | 简单 | 复杂 |
成本 | 低 | 高(电感可能比电源芯片还贵) |
PCB | 电路板占用面积小 | 占用面积大(电感和电容都很大) |
EMC | 干扰小 | 干扰大,增加设计难度 |
电源主要参数
输入电压、输入电流、输出电压、输出电流、纹波、效率
LDO和DCDC在PCB设计时的注意点
- 电容:大电容滤除低频信号,选用电解电容,放在靠电源输入的地方;小电容滤除高频信号,选用贴片电容,尽量放在芯片的具体电源输入引脚附近
- 电源线宽:应该至少是15mil,如果是开关电源,可以考虑铺铜来连接各需要连接的引脚
- 0R电阻:调试测试,如果是第一次测试这个电源芯片,应当有这个0R电阻,一开始上电时不焊,先看输入进的电压是否是输入电压值d
- 肖特基二极管:如1N5819,在输入侧放,作用是防反接
开关电源怎么减少纹波
- 频率:增加开关电源的频率
- 电感电容:增加输出电容
- 滤波电路:再加一个二级输出LC滤波电路
开关电源效率损耗产生原因
- 开关损耗:由开关反复的开和断导致的
- 电阻损耗:电感和电容不是完美器件,其具有等效ESR因此会产生电阻损耗
怎么选择电源(选LDO还是DCDC)
- (若是升压电路,哪只能是DCDC,LDO不能降压)
- 考虑电流和压差(输出电压-输入电压),因为P损=UI,P损功率太大会很热;
阅读LDO和DCDC手册时应该注意什么
- 电源类手册应该关注输入电压、输入电流、输出电压、输出电流、纹波、效率、封装
- 对于LDO来说,还应该关注压差,温度曲线
- 对于DCDC来说,还应该关注开关频率
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