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    如何設計出更小的電源?TI工程師一步步教你

    發布時間:2015-03-14 責任編輯:echolady

    【導讀】如果一個工程師完成了一項重要的應用設計,并且所有漏洞都已清除,那么在這種情況下,就只剩一件事情沒做,那就是——電源。本文就由資深TI工程師教你一步步設計出更小的電源。

    如何設計出更小的電源
     
    畢竟,我們不可能指望所有人都使用實驗室電源為其應用供電,對吧?事后考慮電源并不稀奇。我們很少圍繞電源管理來設計系統,而且正好相反。這樣的做事順序會造成恐慌,尤其是在 PCB 上空間所剩無幾的時候。唯一可用的方法就是找到最小的電源 IC。

    LDO 是空間有限應用的熱門選擇,支持健身腕帶、智能手表以及其它可穿戴設備等便攜式應用。然而,即使是機頂盒與路由器等線路供電的應用,空間也不是無限的,在可能的情況下也需要優化。工程師經常會因芯片尺寸小而選擇 LDO。

    但這是唯一的考慮因素嗎?這肯定是最重要的因素之一。我們還需要權衡一些其它的因素,例如功耗、噪聲特點與精確性等,但芯片首先要能放入應用,才有成為可行的解決方案。

    IC 的物理尺寸能說明些問題,但絕對不夠全面。與任何其它 IC 一樣,也需要考慮外部組件。LDO 的外部組件包括電阻器網絡、輸入電容器與輸出電容器。

    如何設計出更小的電源
    圖 1. 具有各種無源元件的 PCB 實例
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    我們首先來討論電阻器網絡。固定 LDO 將電阻分壓器內部化,與可調 LDO 相比,可提供三大主要優勢:

    空間。固定 LDO 無需在電路板上布置或連接電阻器。這可能聽起來很微不足道,但即使是 0402 電阻器(1.0 毫米 x 0.5 毫米),也會占據寶貴的基板空間。

    成本。盡管電阻器比硅芯片便宜,但它們也需要成本。我們也必須要考慮布置的成本問題。減少組件數量可節省資金,特別是在準備將應用投入量產時。

    準確性。作為電阻器內部化的一部分,制造時可確保它們能夠針對特定容差進行調節。因此,如果產品說明書上指定整個溫度的誤差精度為 1%(例如 TPS7A3725 的情況),那這就是有望獲得的容差。對于可調 LDO 來說,事情并非如此。相反,我們必須考慮參考電壓的準確度和外部電阻器的容差。德州儀器 (TI) 針對這一問題提供了極好的應用手冊,您可在這里查看。

    如果您想要生成 1.8V、3.3V、2.5V 或 5V 等通用電壓軌,固定 LDO 就是很好的選項(但如果您需要 3.75V 等奇數電壓,固定版本可能就不適用)。在可能的情況下,明顯應該使用固定選項。

    輸入電容器有點棘手。輸入電容器可幫助改善線路瞬態,減小上游噪聲,有助于穩定輸入電軌(如果存在寄生現象),或者過濾來自 LDO 的上游電感。但在給定應用中,這些考慮可能適用也可能不適用。能夠識別不需要考慮這些問題的情況,就有機會取消附加無源組件。

    便攜式應用就是很好的設備實例,它有可能避免使用輸入電容器。例如,一個 LDO 使用電池為輸入電軌供電,電池與 LDO 之間的電感很低。電池可提供非常穩定的輸入源和最小的輸入電感。這就意味著 LDO 輸出承受的任何負載瞬態都不會產生較大的輸入電壓偏差。與固定 LDO 的優勢一樣,取消輸入電容器也能節省空間與成本。但必須進行嚴格審查,確保輸入電容器對于應用功能來說是不必要的。

    要考慮的最后一個、或許也是最令人關注的外部組件是輸出電容器。它通常一直都很重要,因為:它可幫助抑制紋波,緩解負載瞬態,當然還可確保輸出電壓穩定性。更好的紋波抑制和改善的負載瞬態響應是具有輸出電容器的優勢。然而在傳統上,輸出電容器對實現穩定性而言一直都至關重要。如果沒有它,您可能會得到一個更接近振蕩器的東西,而不是 LDO。

    當然,這種情況也會隨技術發生改變。TI 現在提供的 LDO 無需輸出電容器,也能提供穩定的輸出。TLV713 和 TLV716 就是很好的實例。無論有沒有輸出電容器,它們都能正常工作。

    以 TLV71333P 為例:該 IC 采用 1x1 毫米 QFN 封裝,不需要外部電阻器,因為它是固定電壓 LDO。請核實。如果用于不需要考慮噪聲或線路瞬態的便攜式設備,我們可以不使用輸入電容器。請核實。它是一款無需輸出電容器也能工作的 LDO。當然,我們的負載瞬態響應和 PSRR 會通過輸出電容器改善,但對于我們的應用而言這些可能都不必要。因此,我們可采用該 IC 進行設計,無需輸出電容器。請核實。

    我們在此提供 1x1 毫米的總體解決方案尺寸,要形象了解空間節省情況,請查看圖 2。盡管附加組件可能在尺寸上非常不起眼,但焊盤模型和走線會很快耗盡空間。

    如何設計出更小的電源
    圖 2:LDO 電源的典型布局

    結語

    可能存在芯片尺寸小于 1x1 毫米的其它 LDO,但是不可能找到能提供 150mA 電流、具有更小總體解決方案尺寸的 LDO。而且它不僅尺寸更小,同樣也是成本更低的解決方案。

    電源可能是最后考慮的問題,但不一定是麻煩的事情。無電容器的 LDO 可在占用最少空間的同時,滿足電源需求。當然,必須進行研究核實,以確保無電容器 LDO 適合您的應用。如果有負載瞬態或過多的紋波,添加一個輸出電容器可能會很有意義。無論如何,這些LDO 可在優化電源時為您提供另一種備用選項。

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