稳压芯片(如LDO､开关稳压器等)在实际电路设计中,必须配合其他外围元器件才能稳定､可靠､安全地工作｡这些配套元器件的作用包括滤波､储能､反馈､保护､散热等｡以下是最常见的配套元器件及其作用:
一､核心必备元件
- 输入/输出电容:
输入电容(Cin):
作用: 储能(平滑输入电压)､滤除输入端的噪声和纹波､提供芯片启动/负载突变时的瞬时电流｡
类型: 通常使用 陶瓷电容(MLCC) (低ESR,高频特性好),有时并联 铝电解电容或钽电容 (容量大,低频储能)｡靠近芯片输入引脚放置!
输出电容(Cout):
作用: 稳定输出电压､降低输出纹波和噪声､提高瞬态响应能力､环路稳定性关键元件(尤其LDO)｡
类型: 首选 低ESR陶瓷电容(MLCC)｡某些芯片(如部分LDO)对ESR有特定要求,可能需要特定系列或并联电容｡大电流或高纹波场合可并联电解电容｡靠近芯片输出引脚放置!
容量选择: 严格遵循芯片数据手册推荐值,通常有最小值和类型要求｡过小可能导致不稳定或纹波过大;过大可能增加成本和尺寸,启动时冲击电流大｡
- 反馈电阻网络(可调输出稳压器):
作用: 对于输出电压可调的稳压器(如LM317､开关电源的FB引脚),通过电阻分压网络将输出电压的一部分反馈给芯片内部的误差放大器,设定精确的输出电压｡
选择: 使用精度较高(如1%)的电阻｡阻值选择需参考数据手册,通常反馈电流很小(uA级),阻值在kΩ级别(如几十kΩ),避免过大(易受噪声干扰)或过小(增加功耗)｡计算:`Vout = Vref (1 + R1/R2)`｡
二､重要增强/保护元件
- 续流二极管(开关稳压器 Buck拓扑):
作用: 在Buck(降压)转换器中,当开关管(通常是内部MOSFET)关断时,为电感电流提供续流回路,维持电流连续｡
类型: 必须使用快速恢复二极管或肖特基二极管(低正向压降Vf,快速开关特性)｡普通二极管不适用!
选择: 额定电流需大于最大输出电流,反向耐压需大于最大输入电压｡靠近芯片SW引脚和电感放置!
- 功率电感(开关稳压器):
作用: 开关电源(Buck, Boost, BuckBoost)的核心储能元件｡通过开关管的通断控制,在储能(电流增大)和释能(电流减小)过程中实现电压转换和滤波｡
选择: 关键参数包括电感值､饱和电流､直流电阻､自谐振频率｡
电感值: 严格按数据手册公式计算或推荐值选择｡太小导致纹波电流大､效率低､可能不稳定;太大导致动态响应慢､体积大､成本高｡
饱和电流: 必须大于电路中的峰值电流(通常为最大输出电流+1/2纹波电流),否则电感饱和失效｡
DCR: 直流电阻越低,导通损耗越小,效率越高｡
类型: 常用屏蔽功率电感(降低EMI)｡靠近芯片SW引脚和续流二极管放置!
- 自举电容(开关稳压器 高边驱动):
作用: 对于采用N沟道MOSFET作为高边开关的Buck芯片,需要自举电路为其栅极提供高于输入电压的驱动电压｡自举电容为该电路储能｡
选择: 使用低ESR陶瓷电容,容量严格按数据手册要求(通常0.1uF 1uF)｡靠近芯片BOOT和SW引脚放置!
- 输入保护二极管:
作用:
反接保护: 在输入端串联一个二极管(防止电源反接损坏芯片)｡会带来压降和功耗｡
反向电流阻断: 防止输出端电压高于输入端时(如掉电､热插拔)电流倒灌损坏芯片或输入端电容｡通常使用肖特基二极管(低压降)｡
选择: 额定电流和电压满足要求,考虑功耗｡
三､特定情况/增强性能元件
- 使能/关断(EN/SHDN)上拉/下拉电阻:
作用: 为稳压器的使能引脚提供确定的高电平(开启)或低电平(关闭)状态｡避免浮空导致意外行为｡
选择: 阻值较大(如10kΩ 100kΩ),功耗忽略｡
- 软启动电容:
作用: 控制稳压器(尤其是开关稳压器和大电流LDO)启动时的输出电压上升斜率｡限制启动时的浪涌电流,防止输入电压跌落或输出过冲｡
实现: 连接到芯片的软启动引脚(SS)｡电容充电时间决定启动时间｡
- 补偿网络:
作用: 某些稳压器(特别是开关电源)可能需要外部RC网络来优化控制环路的稳定性和瞬态响应｡
选择: 必须严格遵循数据手册的设计指导｡随意更改可能导致振荡或不稳定｡
- 散热器/散热措施:
作用: 对于中高功率应用,芯片自身功耗`P = (Vin Vout) Iout`(LDO)或开关损耗(开关稳压器)会产生热量｡必须保证芯片结温不超过安全值｡
措施:
PCB铜箔散热: 充分利用芯片的散热焊盘(Pad),设计大面积铺铜并连接到地平面,使用过孔阵列将热量传导到内层或背面铜层｡
外部散热片: 当PCB散热不足时,需在芯片封装上加装散热片｡
强制风冷: 极端情况下需要风扇｡
- EMI滤波器:
作用: 开关电源会产生高频开关噪声,可能干扰其他电路或传导回电网｡在输入端增加共模电感､差模电感､X电容､Y电容等构成滤波器｡
选择: 根据噪声频谱和EMC标准要求设计｡
- TVS二极管/压敏电阻:
作用: 在输入端提供瞬态过压保护(如浪涌､静电放电),吸收高能量脉冲,保护稳压芯片｡
选择: 钳位电压需低于芯片最大耐压,能量吸收能力满足要求｡
- 保险丝:
作用: 在输入电源线上串联,防止后级电路(包括稳压器)发生严重短路故障时引发火灾或损坏电源｡常用自恢复保险丝(PPTC)｡
选择: 额定电流略大于最大工作电流｡
总结:配套选择的核心原则
- 数据手册至上: 绝对优先､严格遵守芯片制造商提供的官方数据手册(Datasheet)和应用笔记(Application Note)｡上面有最准确､最完整的推荐电路､元件参数计算方法和布局指南｡
- 靠近放置: 输入/输出电容､续流二极管､功率电感､自举电容等高频､大电流路径上的元件必须尽可能靠近芯片相应引脚放置,以最小化环路面积和寄生参数(电感､电阻),这对稳定性､效率和EMI至关重要｡
- 考虑实际工况: 选择元件参数时考虑最恶劣的工作条件(最高/最低输入电压､最大输出电流､最高工作温度)｡
- 稳定性优先: 特别是输出电容和(如果需要)补偿网络的设计,直接关系到系统是否振荡｡
- 散热设计: 务必进行热设计计算,确保芯片结温在安全范围内｡
- 保护机制: 根据应用环境考虑是否需要反接保护､过压保护､过流保护(保险丝)等｡
简单来说:设计一个可靠的稳压电源电路,绝不仅仅是选一个稳压芯片那么简单｡理解其工作原理,并严格按照手册精心选择和布置外围元件,是成功的关键｡ 忽视任何一个环节都可能导致电路不稳定､效率低下､发热严重甚至损坏｡
