高速PCB设计系列基础知识34｜数字电源及稳压器介绍

本期继续探讨PCB设计中电源地信号处理中的数字电源及LDO、DC-DC电路两种稳压器。

一、数字电源

所谓数字化电源的本质在于电源对输出电流/电压的PWM调节是由数字芯片按照一定的数字控制方式和算法产生，这是数字电源的最本质特征。

在简单易用，参数变更要求不多的应用场合，模拟电源产品更具优势，因为其应用的性可以通过硬件固化来实现，而在可控制因素较多，实时反应速度更快、需要多个模拟系统电源管理的、复杂的高性能系统应用中，数字电源则具有优势。

此外，在复杂的多系统业务中，相对模拟电源，数安电源是通过软件编程来实现多方面的应用，其具备的可扩展性与重复使用性使用户可以方便更改工作参数，优化电源系统。通过实时过电流保护与管理，它可以减少外围器件的数量。

数字电源有用DSP控制的，还有用MCU控制的。相对来讲，DSP控制的电源采用数字滤波方式，较MCU控制的电源更能满足复杂的电源需求、实时反应速度更快、电源稳压性能更好。

数字电源首先是可编程的，比如通讯、检测、遥测等所有功能都可用软件编程实现。另外，数字电源具有高发一能和高可靠性，非常灵活。

二、高速数字系统的供电要求

在高速数字系统中，CPU、FPGA、DSP等芯片的内核需要低电压大电流的供电，如电压范围为0.8V~2.5V，而最大电流常常超过100A。大功耗和低电压的供电要求，迫使设计人员将AC-DC和DC-DC稳压器安置到被供电器件的附近或内部。通常，需要采用独立的DC-DC稳压器（转换器）对每个内核单独供电，如PoL（点负载）供电。

除了大电流的要求外，在高速数字系统中经常包含多个不同供电电压要求的器件。如一些新型器件常常要求2.5V、1.8V、1.5V或更低的供电电压，但5V和3.3V的器件仍然很常见。多电压通道供电是优化器件速度和功耗的结果，因此系统要求有多个DC-DC稳压器以提供多个不同的电源电压。

例如，一个FPGA电路需要的电源电压如图，内核电源电压VCCINT为1.2V，辅助电源电压VCCAUX为2.5V，I/O电源电压VCCO为3.3V，接口电源电压VINTF为12V，而且对上电时序也有一定的要求。

三、LDO

LDO是一种线性稳压器。线性稳压器使用在其线性区域内运行的晶体管或FET，从应用的输入电压中减去超额的电压，产生经过调节的输出电压。所谓压降电压，是指稳压器将输出电压维持在其额定值上下100mV之内所需的输入电压与输出电压差额的最小值。

LDO是低压降的意思，低压降(LDO）线性稳压器的成本低，噪音低，静态电流小，这些是它的突出优点。它需要的外接元件也很少，通常只需要一两个旁路电容。

新的LDO线性稳压器可达到以下指标：输出噪声30µV，PSRR为60dB，静态电路6µV（T1的TPS78001达到lq（静态电流）=0.5µV)，电压降只有100mV(T1量产了号称0.1mV的LDO）。

LDO线性稳压器的性能之所以能够达到这个水平，主要原因在于其中的调整管是用P沟道MOSFET，而普通的线性稳压器是使用PNP晶体管。P沟道MOSFET是电压驱动的，不需要电流，所以大大降低了器件本身消耗的电流；另一方面，采用PNP晶体管的电路中，为了防止PNP晶体管进入饱和状态而降低输出能力，输入和输出之间的电压降不可以太低；而P沟道MOSFET上的电压降大致等于输出电流与导通电阻的乘积。由于MOSFET的导通电阻很小，因而它上面的电压降非常低。

如果输入电压和输出电压很接近，最好是选用LDO稳压器，可达到很高的效率。所以，在把锂离子电池电压转换为3V输出电压的应用中大多选用LDO稳压器。虽说电池的能量最后有百分之十是没有使用，LDO稳压器仍然能够保证电池的工作时间较长，同时噪音较低。

如果输入电压和输出电压不是很接近，就要考虑用开关型的DCDC了，因为从上面的原理可以知道，LDO的输入电流基本上是等于输出电流的，如果压降太大，耗在LDO上能量太大，效率不高。

四、DC-DC电路

DC-DC稳压器是指在直流电路中将一个电压值的电能变为另一个电压值的电能的装置。它的设计面临着如何具有高的效率、低的输出阻抗、优化转换器的控制环路，以至于在负载电流变的的情况下使输出电压波纹仍能保持最小，低的电磁辐射等多方面的挑战。DC-DC稳压器必须为低电压负载提供动态范围大且高效率的负载电流。

DC-DC电路的特点是效率高，升降压灵活，但电路相对复杂，存在较大干扰。一般常见的电路结构有Boost和Buck两种，Boost用于升压，Buck用于降压。Boost和Buck电路都是通过MOS管开关来控制电感和电容间的能量转换。调节MOS管栅极脉冲信号的占空比，可以控制MOS管的导通和关闭，从而改变输出电压的高低。

现DC-DC是一种新研制的小型化电源开关模块，它是采用微电子技术，把小型表面安装集成电路与微型电子元器件组装成一体而构成。DC-DC电源模块的使用有利于简化电源电路设计缩短研制周期，实现最佳指标等，可广泛应用于各类数字仪表和智能仪器中。

由于采用模块组建电源系统具有设计周期短、可靠性高、系统升级容易等特点，电源模块的应用越来越广泛。尤其近几年由于数据业务的飞速发展和分布式供电系统的不断推广，电源模块的增幅已经超出了一次电源。随着半导体工艺、封装技术和高频软开关的大量使用，电源模块功率密度越来越大，转换效率越来越高，应用也越来越简单。

下期预告：48V电源的组成和特点，请同学们持续关注