GPS设计电源部分.pptx
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1、内容结构内容结构 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LDOLDO工作原理工作原理 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。LDOLDO工作原理工作原理 2 LDO主要由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。基本工作原理是这样的:系统加电,如果使能脚处于高电平时,电路开始启动,
2、恒流源电路给整个电路提供偏置,基准源电压快速建立,输出随着输入不断上升,当输出即将达到规定值时,由反馈网络得到的输出反馈电压也接近于基准电压值,此时误差放大器将输出反馈电压和基准电压之间的误差小信号进行放大,再经调整管放大到输出,从而形成负反馈,保证了输出电压稳定在规定值上;同理如果输入电压变化或输出电流变化,这个闭环回路将使输出电压保持不变,即:VOUT=(Rf+Rs)/Rs*Vref 产生压差的主要原因是,在调整元件中有一个P沟道的MOS管。当LDO工作时MOS管道通等效为一个电阻,RDS(ON),Vdropout=VIN-VOUT=RDS(ON)x IOUTR.由此得出低压差线性稳压器(
3、LDO)的一个重要特性,在输入电压大于最小工作电压和输出电压其标称值范围内,负载电流为零时,输出电压随输入电压的变化而变化,这就是LDO的跟随特性,待输出电压达到其标称值后不随输入而变化,从而达到稳压的目的,这就是LDO的稳压特性。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(Positive Feedback):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。
4、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100m到5。贴片陶瓷电容具有较低的ESR值,一般小于10m。钽电容的ESR值相对高,一般大于100
5、 m。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
6、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dropout voltage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1.8 V,输入电压为3.6 V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
7、 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。LDO选用原则 输入输出电压差 输入输出电压差是LDO最重要的参数。在保证输出电压稳定的前提下,该电压差越低,线性稳压器的性能越好。最大输出电流 根据不同器件对电源输出电流的要求选择。纹波抑制率 静态电流 接地电流IGND是指串联调整管输出电流为零时,输入电源提供的稳压器工作电流。该电
8、流有时也称为静态电流,但是采用PNP晶体管 作串联调整元件时,这种习惯叫法是不正确的。通常较理想的低压差线性稳压器的接地电流很小。封装与功耗 选择LDO产品时应考虑LDO的散热,负载大的LDO应尽可能选择大封装,这样有利于LDO性能稳定。功耗PDISSIPATION=(VIN-VOUT)/(IOUT+IQ)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
9、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(Charge Pump),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(Flying Capacitor),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,
10、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。电荷泵选用原则
11、电荷泵选用原则电荷泵应用:在我们的设计中,电荷泵经常被用作白光LED驱动,一般在手机中应用于并联LCD背光驱动芯片。而串联背光驱动芯片则应选择电感式的DC/DC,因为它对电压要求较高。电荷泵选用要点:转换效率要高 静态电流要小,可以更省电;输入电压要低,尽可能利用电池的潜能;噪音要小,对手持产品的整体电路无干扰;功能集成度要高,提高单位面积的使用效率,使手持产品设计的更小巧;足够的输出调整能力,电荷泵不会因工作在满负荷状态而发烫;封装尺寸小是手持产品普遍要求;按装成本低,包括周边电路少占PCB板面积小,走线少而简单;具有关闭控制端,可在长时间待机状态下关闭电荷泵,使供电电流消耗近乎为0。电感式
12、电感式DC-DCDC-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。PWMPWM波产生原理波产生原理 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
13、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。BUCKBUCK工作原理工作原理 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。同步整流技术同步整流技术 同步整流是采用动态电阻极低的专用功率MOSFET,来取代整流二极管以降低整流损耗的一项新技术。它能大大提高DCDC 变换器的效率。功率MOSFET 属于电压控制型器件,它在导通时的伏安特性呈线性关系。用
14、功率MOSFET 做整流器时,要求栅极电压必须与被整流电压的相位保持同步才能完成整流功能,故称之为同步整流。当输出电压降低时,二极管的正向电压的影响很重要,它将降低转换器的效率。物理特性的极限使二极管的正向电压降难以降低到0.3V以下。相反,可以通过加大硅片的尺寸或并行连接分离器件来降低MOSFET的导通电阻RDS(ON)。因此,在给定的电流下,使用一个MOSFET来替代二极管可以获得比二极管小很多的电压降。整流二极管的选择整流二极管的选择 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
15、。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
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