专题：手把手学习硬件基础------9、电源电路

一、基本概述

电源说明，对于产品，电源是心脏，源源不断的输送能量。

常规电源：

1、AC TO DC

将110V或220V市电转换为3.3V，5V，12V，24V等，通常使用电源模块；

2、LDO线性电源

低噪声，通常给单片机、模拟IC等器件供电

3、BUCK降压开关电源

通常作为产品内部主电源，将外部输入的直流12V或其他电压降为5V，3.3V等电压，供内部器件使用

4、BOOST升压开关电源

通常将电池等低压升至5V，12V等，供外设使用

电源架构思路：

12/24V电源输入 -> BUCK降压电路降为5V（大电流如4A、3A） -> LDO生成电压3.3/2.5/1.8等等;

二、TL431三端稳压管

1、器件说明

如下图，TL431是高性价比的分流式电压基准，特性如下：

a、高精度电压基准输出。3个等级，0.5%（B极）、1%（A极）、2%（标准）

b、可调电压输出支持Vref至36V

c、内部允许1-100mA电流

d、动态输出电阻低至0.2Ω

e、低噪声，低温漂

2、工作原理

就是参考电压会与内部的基准电压2.5V比较，如果比2.5V高，就增大内部电流，如果比2.5V低，就调低内部电流；

3、应用电路

上图中，将参考点与负极接在一起，直接与基准值相连，线路电压比2.5V大，就会提高TL431的电流，R13的电压就会增大，基准点的电压就下降；

关于R13电阻的选取，TL431可通过电流为1-100mA，9mA左右

还可以调节输出电压，通过如下电路图

三、LDO

LDO的特点就是输入电流和输出电流相等；

1、工作原理

a、由上图可知，内部误差放大器通过控制开关管的导通程度实现稳压，输出纹波小，无开关噪声

b、LDO属于线性电源，输出电流等于输入电流，发热功率=电压差*电流，转换效率=Vo/Vi

c、LDO不适合电压差过大的场合，比如输入24V，输出3.3V，如果电流20mA，发热功率=（24-3.3）*0.02 = 0.54W，效率只有13.75%

d、LDO不适合电流大的场合，电流大，发热功率相对较大，同时，压差大，可能导致电压下拉，具体看datasheet的电压降，比如1V/1A（电流1A时，压降最少1V，此时，如果输入4V，输出最大只能3V）

e、根据经验，SOT-23封装，发热功率不超过0.3W；SOT-89，发热功率不超过0.5W

f、如果发热功率过大，可以考虑使用BUCK降压电路，必须使用LDO的话，可以串联电阻，分担一部分功耗，但需要注意LDO电压降必须满足要求；

2、选型依据

a、输入输出电压 -决定了最大电压差

b、输出电流-评估带载能力，电压差

c、静态电流- 低功耗考虑

d、品牌，成本

e、封装，发热功率（电压差*输出电流）

3、手册阅读

四、BUCK降压电路

1、拓扑结构

2、工作原理：

开关S将输入电压Vin斩波成PWM波，再通过LC滤波器输出直流电压Vout，调整PWM波的占空比，即可得到不同的输出电压

Vout = Vin *D D--占空比

环路一：开关闭合的电流路径；环路二，开关断开时的电流路径；

闭合环路，变化的电流产生磁场，为了降低EMC，设计PCB时，环路设计应该尽量小，同时不要干扰了模拟电路，比如反馈电路、增益补偿、软起动、使能电路等；

为了降低功耗，提高降压效率，功率电感应该选取低DCR的，饱和电流为平均电流的4/3(经验值)；续流二极管D选取肖特基二极管（高频率，大电流，低导通电压0.2V），或选择同步降压IC如ULN2003（集成续流二极管）

为了降低输出纹波，电感、电容需要选择合适的值，一般datasheet有推荐，电感值越大，相对纹波越小，但是，由于电感阻碍电流变化，导致响应负载的速度变慢；电容一般选用铝电解电容与陶瓷电容（低ESR）的组合；高度有限制或对成本不敏感时，可以选择钽电容，钽电容温度特性好，低ESR，寿命长，但成本高，耐压差（耐压最好选择大于2倍的输出电压）

一般，开关频率越高，电感可以选取的越小，因为需要能量越少，电感可以不用存储太多的能量即可，如市电的50HZ，变压器就很大；

3、选型依据

a、输入输出电压--决定了PWM波的占空比

b、输出电流--评估带载能力

c、品牌、封装、成本

4、常用型号

MPS品牌 MP2451 MP1584

TI品牌 TPS54331

5、手册MP2451

•130μA工作静态电流

•3.3V到36V的工作输入范围

•500mΩ内部功率MOSFET

•2MHz固定开关频率

•内部补偿

•稳定的陶瓷输出电容

•内部软启动

•精确限流，无电流

感应电阻

•> 90%效率

•输出可从+0.8V到0.8xVIN

•3μA低关机电源电流

•SOT23-6和TSOT23-6包装

输出电压为5V的时候效率最高

1、BST引脚这是内部浮动高侧MOSFET驱动器的正电源。在这个引脚和SW引脚之间连接一个旁路电容。

2、GND引脚它应该连接尽可能接近输出电容，避免大电流开关路径。

3、FB引脚这是误差放大器的输入。连接在输出和GND之间的外部电阻分压器与内部的+0.8V基准进行比较，以设置调节电压。

4、EN引脚拉这个引脚低于指定的阈值关闭芯片。把它拉到指定的阈值上使芯片启动。浮动这个引脚可以关闭芯片。

5、VIN引脚这为所有内部控制电路提供电源，包括BS稳压器和高侧开关。在这个引脚附近需要一个接地的去耦电容来减少开关尖峰。

6、SW引脚这是高侧开关的输出。在这个引脚附近需要一个低VF的肖特基二极管对地，以减少开关峰值

五、BOOST升压电路

1、拓扑结构

2、工作原理

原理简述：开关S闭合时，电感蓄能，开关S断开时，电感电流不能突变，产生自感电压，此电压与输入电压叠加，将产生高于输入电压的PWM波，再通过电容C滤波成直流电压，达到升压的目的。

Vout = (Vin+电感自感电压)*D

环路一、开关闭合时的电流路径，此时电源给电感充电，负载由电容供电；环路二，开关断开时电流路径，电源与电感同时给电容充电，给负载供电，起到升压效果；

闭合环路，变化的电流产生磁场，为了降低EMC，设计PCB时，环路设计应该尽量小，同时，不要干扰了模拟电路，比如反馈回路、增益补偿、使能部分等；

为了降低功耗，功率电感应该选取低DCR的；整流二极管D选取肖特基二极管；

为了降低输出纹波，电感值、电容值需要选择合适的值，一般datasheet有推荐。电感值过小，存储能量不足，导致电压升不上去，电感值过大，导致负载响应速度变慢，因此，电感需要选择合适的值；电容值过大，导致开机时充电电流过大，容易导致电感饱和或电源无法启动，电容值过小，导致纹波过大，因为开关闭合时，负载完全由电容供电，因此，电容需要选取合适的值

3、常用型号

MPS品牌 MP1541

微盟 ME2159

4、手册解读

ME2159

●精密反馈参考电压:0.6V

●参考电压精度:±2%

●可调输出，最大可达12V

●内部固定PWM频率:650KHz

●内部0.18Ω，2A, 16V功率MOSFET

●关机电流:0.1μA

●过温度保护:165℃

六、产品应用

1、LDO-78L05 低成本，输出5V，最大输出电流100mA，最低压差2V

如果直接使用12V-5V的话，78L05的功耗就会为（12-5）*0.1 = 0.7W

之前有说过，SOT-89的经验功耗不超过0.5W，0.7W的话发热很严重，使用R26/R27进行分压，使得LDO的输入电压为12-30*0.1=9V，所以LDO此时功耗为（9-5）*0.1=0.4W

2、LDO-HT7333-3 （输入5V，输出3.3V，低压差，输出电力250mA）

3、LDO-MIC29302(压差小于0.6V，输出电流最大3A)

4、BUCK降压-MP2451(开关频率2M，带载能力1A)

5、BUCK降压-TPS54331(开关频率570kHz，带载能力3A)

6、BOOST升压-ME2159(开关频率650kHz，内部集成2A MOS功率管)

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