GPS設計-電源部分 (2)課件

GPS設計－電源部分內容結構

LDO

電荷泵

DC-DC降壓電路

DC-DC升壓電路

鋰電池鋰電池充電電路LDO工作原理1

LDO是阻性電源產品，通過內部MOSFET的開關，只能進行降壓輸出，輸出電壓一定比輸入電壓要低。

組成：MOSFET、反饋分壓電阻Rs和Rf、誤差比較放大器組成。通過此誤差放大器向輸出晶體管提供必要的門極電壓，控制MOS管的通斷。

LDO的相位裕度負反饋：就與源信號的極性相反。由于與源的極性相反，負反饋總會阻止任何的輸出變化。也就是說，如果輸出電壓想要變高（或變低），回路總會阻止其到正常值。正反饋（PositiveFeedback）：當反饋信號與源信號有相同的極性時就會發(fā)生正反饋。此時，回路響應會與發(fā)生變化的方向一致。這樣明顯不能達到穩(wěn)定，因為不能消除輸出電壓的改變，反而將變化趨勢擴大了。很明顯不會有人在線性穩(wěn)壓器件中使用正反饋，但是如果出現180°的相移，負反饋就成為正反饋了。理想的負反饋信號與源信號相位差180°，因此它的起始點在－180°。而負反饋信號在經過回路時會產生相移。從－180°開始，如果增加180°的相移，就會使信號相位回到零度。這也就使反饋信號與源信號相位相同了，并使回路不穩(wěn)定。因此穩(wěn)定的回路需要一定的相位裕度。LDO的輸入輸出電容輸出電容器的選擇利用輸出電容器來實現相位補償是最便捷經濟的方法。（1）那么是選擇陶瓷電容還是鉭電容呢？而典型LDO的可穩(wěn)定的ESR的范圍一般為100mΩ到5Ω。貼片陶瓷電容具有較低的ESR值，一般小于10mΩ。鉭電容的ESR值相對高，一般大于100mΩ。因此若要達到穩(wěn)定狀態(tài)，只能使用鉭電容并不能使用陶瓷電容。然而鉭電容做輸出電容有體積大且價格較高的缺點，于是有些ldo廠商便在ldo芯片內部放置輸出鉭電容器以補償相位，這類ldo允許使用ESR值較低的陶瓷電容做為輸出電容器。（2）如何選擇輸出電容器的容值和ESR值？在LDO的規(guī)格書中都會指定最低電容器值，并給出輸出電容器的ESR和輸出電流。所以只要其電容大于所要求最小值，就都是穩(wěn)定的。使用更大電容器的LDO調節(jié)器與較小的ESR在一起就是穩(wěn)定的。事實上，更大的電容和較小的ESR值能夠改善輸出瞬時反應。輸入濾波電容器的選擇輸入電容是用來濾除輸入電源紋波，應盡可能靠近LDO的輸入端。利用較低ESR的大電容器一般可以全面提高電源抑制比(PSRR)、噪聲以及瞬態(tài)性能。使用良好的陶瓷電容或鉭電容均可，用X7R電介質是最好的，但使用成本略高，X5R電介質較好，性能/價格比適宜，而Y5V電介質較差，但成本較低。LDO的效率及布板原則

LDO的效率LDO的dropoutvoltage取決于內部MOS管的壓降，即Rds(on)和輸出電流的乘積。LDO的效率一般為輸出電壓/輸入電壓。也就是，如果說輸出電壓1.8V，輸入電壓為3.6V時，理論上它的效率只有50%。缺點：效率低，輸出電壓范圍小優(yōu)點：輸出電壓紋波相對DC/DC較小，價格便宜，外圍器件簡單，占用PCB面積小布板LDO在PCB板上的工藝走線十分重要，當工藝走線不良和靠近RF線時降噪性能會受影響。濾波電容匯入地節(jié)點選擇不良時，由負載返回地的電流中，噪音和紋波都會增加。理想的PCB板布線設計是接地點盡可能的粗短和走捷徑，走線一定要考慮各個器件間的干擾和輻射，器件的合理排列可有利于有效地減少各個器件間的相互干擾和輻射。DC-DC基本知識DC/DC是開關電源芯片。開關電源，指利用電容、電感的儲能的特性，通過可控開關（MOSFET等）進行高頻開關的動作，將輸入的電能儲存在電容（感）里，當開關斷開時，電能再釋放給負載，提供能量。其輸出的功率或電壓的能力與占空比（由開關導通時間與整個開關的周期的比值）有關。開關電源可以用于升壓和降壓。我們常用的DC-DC產品有兩種。一種為電荷泵（ChargePump），一種為電感儲能DC-DC轉換器。后面將詳細講解這兩種DC/DC產品的相關知識。電荷泵原理

電荷泵為容性儲能DC-DC產品，可以進行升壓，也可以作為降壓使用，還可以進行反壓輸出。電荷泵消除了電感器和變壓器所帶有的磁場和電磁干擾。電荷泵是通過外部一個快速充電電容（FlyingCapacitor），內部以一定的頻率進行開關，對電容進行充電，并且和輸入電壓一起，進行升壓（或者降壓）轉換。最后以恒壓輸出。在芯片內部有負反饋電路，以保證輸出電壓的穩(wěn)定，如上Vout，經R1,R2分壓得到電壓V2，與基準電壓VREF做比較，經過誤差放大器A，來控制充電電容的充電時間和充電電壓，從而達到穩(wěn)定值。其可以依據電池電壓輸入不斷改變其輸出電壓。電荷泵倍壓產生原理在第一階段，C1和C2串聯。假設C1=C2，則電容充電直到電容電壓等于輸入電壓的一半：VC1+-VC1-=VC2+-VC2-=VIN/2在第二階段，C1和C2并聯，連接在VIN和VOUT之間。VOUT=VIN+VIN/2=1.5VIN效率：電荷泵的效率是根據電荷泵的升壓模式，輸入電壓和輸出電壓所決定，如果是以2倍壓模式進行升壓，那么它的效率為Vout/2Vin。輸入電壓越小，效率越高。電感式DC-DC電感式DC-DC它是通過電感不斷的儲能/放電，最后達到穩(wěn)定電壓/電流輸出的轉換器。根據輸出電壓與輸出電壓的高低比較，可以分為boost（輸出電壓遠高于輸入電壓）和buck（輸出電壓低于輸入電壓）。它們的拓撲結構不同。Boost一般用于lcd串聯背光驅動以及oled驅動，一般使用得輸出電壓在十幾伏。Buck用于多媒體協處理器的核電壓。PWM波產生原理組成：誤差放大器、三角波發(fā)生器、比較器當誤差放大器（EA）輸出與振蕩器斜波電壓相匹配時，RS觸發(fā)器復位關閉鎖存。在穩(wěn)態(tài)時，Driver的輸出的占空比將通過EA的輸出自我調節(jié)，從而保持正確的輸出電壓。當EA輸出太小時，RS觸發(fā)器有可能復位保持高態(tài)，從而使輸出導通鎖存。這種情況通常發(fā)生在輕負載時，因此需要在EA輸出端加補償。BUCK工作原理下圖降壓轉換器最基本的電路：是利用MOSFET開關閉合時在電感器中儲能，并產生電流。當開關斷開時，貯存的電感器能量通過二極管輸出給負載。輸出電壓值與占空比（開關開啟時間與整個開關周期之間的比）有關。整流二極管的選擇該二極管必須具有與輸出電壓相等或更大的反向額定電壓。其平均額定電流必須比所期望的最大負載電流大得多。其正向電壓降必須很低，以避免二極管導通時有過大的損耗。此外，因為MOSFET工作于高頻開關模式，所以需要二極管具有從導通狀態(tài)到非導通狀態(tài)時，很快恢復。反應速度越快，DC/DC的效率越高。肖特基二極管(而非傳統的超快速二極管)具有更低的正向電壓降和極佳的反向恢復特性。電感器的選擇隨著開關的打開和閉合，升壓電感器會經歷電流紋波。一般建議紋波電流應低于平均電感電流的20％。電感過大將要求使用大得多的電感器，而電感太小將引起更大的開關電流，特別在輸出電容器中，而這又要求更大的電容器。電感值的選擇取決于期望的紋波電流。如等式1所示，較高的VIN或VOUT也會增加紋波電流。電感器當然必須能夠在不造成磁芯飽和(意味著電感損失)情況下處理峰值開關電流。由公式可以得出：（1）開關頻率越高，所需的電感值就可以減?。唬?）電感值增大，可以降低紋波電流和磁芯磁滯損耗。但電感值的增大，電感尺寸也相應的增大，電流變化速度也減慢。為了避免電感飽和，電感的額定電流值應該是轉換器最大輸出電流值與電感紋波電流之和。電容器選擇輸入電容的選擇因為buck有跳躍的輸入電流，需要低ESR的輸入電容，實現最好的輸入電壓濾波。輸入電容值必須足夠大，來穩(wěn)定重負載時的輸入電壓。如果用陶瓷輸出電容，電容RMS紋波電容范圍應該滿足應用需求陶瓷電容具有低ESR值，表現出良好的特性。并且與鉭電容相比，陶瓷電容對瞬時電壓不敏感。輸出電容的選擇輸出電容器的有效串聯電阻(ESR)和電感器值會直接影響輸出紋波電壓。利用電感器紋波電流((IL)和輸出電容器的ESR可以簡單地估測輸出紋波電壓。輸出電壓紋波是由輸出電容的ESR引起的電壓值，和由輸出電容沖放電引起的電壓紋波之和。有些廠家的DC/DC產品的內部由補償環(huán)路，以實現最佳的瞬態(tài)響應和環(huán)路穩(wěn)定性。當然，內部補償能夠理想地支持一系列工作條件，而且能夠敏感地響應輸出電容器參數變化。BOOST工作原理改變降壓穩(wěn)壓器的元件位置可把它變成升壓穩(wěn)壓器。在升壓穩(wěn)壓器中，開關閉合和斜波電流在電感器中。當開關打開時，電感器中的電流必須保持流動。電感器上的電壓改變極性直到它正向偏置二極管為止，并放泄能量到輸出和輸出電容器。每個周期中電感所傳輸的能量必須等于輸出功率除工作頻率。這意味著，工作頻率越高，每個周期需要傳輸的能量就越小，這意味著較小的電感器。另外，電感器必須承載足夠的電流來供電輸出和充電電容器。BOOST的輸出特性：BUCK-BOOST前半部分與BUCK同，后半部分與BOOST同。LDO實用電路-RT9179BOOST實用電路-MP1518BOOST實用電路－LCD正負壓LDO與DC-DC比較TypicalLDOApplicationTypicalDC/DCSwitcherApplicationSwitch-ModeRegulatorsLinearRegulatorsHighEfficiency,upto95%PoorEfficiency,whenVIN>>VOUTHighNoiseandRippleLowNoiseandRippleHigherPowerDensitySimpleHigherCurrentCapabilityIOUTThermallyLimitedHighlydesigndependantFastTransientResponseStepUporSep-Down，Vin≤Vout≤VinStepDownOnly，Vout≤Vin鋰電池電化學原理正極反應：LiCoO2xLi++xe-+Li(1-x)CoO2負極反應：6C+xe+xLi+LixC6

電解液：LiPF6(氟磷酸鋰）+EC(碳酸乙烯酯）+DMC(碳酸二甲酯)

充電時鋰離子從正極層狀物的晶格間脫出，通過電解液遷移到層狀負極表面后嵌入到石墨材料晶格中，同時剩余電子從外電路到達負極。放電則相反，鋰離子從石墨晶格中脫出回到正極氧化物晶格中。

在充放電時鋰離子在電池正負極中往返的嵌入——脫出，正像搖椅子一樣在正負極中搖來搖去，故有人將鋰離子電池形象的稱為“搖椅電池”

由于LixC非?；顫姡梢院退l(fā)生反應。故電解質選用可溶于有機溶劑的鋰鹽，但這也留下一個缺點：內阻相對于鎳鎘、鎳氫電池大鋰電池的負枝晶效應在充電的過程中，Li+從正極LiCoO2中脫出，進入電解液，在充電器附加的外電場作用下向負極移動，依次進入石墨或焦炭C組成的負極，在那兒形成LiC化合物。如果充電速度過快，會使得Li+來不及進入負極柵格，在負極附近的電解液中就會聚集Li+，這些靠近碳C負極的Li+很可能從負極俘獲一個電子成為金屬Li。持續(xù)的金屬鋰生成會在負極附近堆積、長大成樹枝狀的晶體，俗稱枝晶另一種情形，隨著負極的充滿程度越高，LiC晶格留下的空格越少，從正極移動過來的Li+找到空格的機會就困難，時間就越長。如果充電速度不變的話，一樣可能在負極表面形成局部的Li+堆積。因此，在充電的后半段必須逐步縮小充電電流枝晶的長大會刺破正負級之間的隔膜，形成短路?？梢韵胂?，充電的速度越快越危險，充電終止的電壓越高也就越危險，充電的時間越長也越危險。鋰電池的使用和保護由前所述，鋰離子電池的電壓過高或者過低都會造成嚴重問題根據實際使用情況，劃分了鋰離子電池電壓的幾個區(qū)域.不同的電芯制造商雖有區(qū)別但區(qū)別不大。高壓危險區(qū)---------------保護線路過充保護電壓(4.275~4.35V)高壓警戒區(qū)---------------鋰離子電池充電限制電壓4.20V正常使用區(qū)---------------鋰離子電池放電終止電壓(2.75~3.00V)低壓警戒區(qū)---------------保護線路過放保護電壓(2.3~2.5V)低壓危險區(qū)=====================鋰電池充電的幾個原則1.電流必須：

瞬時值<5C

平均值<1.2C2.充電電壓都不能超過4.275，考慮到制造誤差和溫度漂移，一般充電電壓設定不超過4.2V3.充電終止后不能接受涓流充電4.電壓到達4.2V后充電必須在幾個小時內完成，不能任意延長。這也是為什么TI,Intersil等充電芯片制造商要在芯片內內置安全定時器，確保在一定時間后切斷充電違背上述原則都將產生“枝晶效應”，長期反復地違背這些規(guī)則，將會對電池的壽命產生極大的影響，甚至有安全問題上圖就是一個典型的充電示意圖，實線代表電流變化，虛線代表電壓變化充電方法－線性恒流恒壓法1.簡單，很少的元件數2.小功率時的成本很低低噪聲充電的效率通常較低，多電芯、高Adapter電壓時的散熱存在問題。如果待充電的電池電壓在3.0~4.1V之間，Adapter的輸出電壓為5V，那么線性充電的效率就在60%~82%之間充電電流1A為例，充電器上的熱耗散在2W~0.8W之間。而對于便攜設備來講，2W是一個非?？捎^的數字，結構設計師往往無法處理。充電方法－PWM恒流恒壓法1.比線性方式更復雜,多了2個器件L,D42.效率更高，在大功率的時候成本反而有吸引力—-不需要特別的考慮散熱措施

通常，一個設計良好的PWM充電電路在快速充電的效率在80%~95%之間，熱量耗散只有線性充電的30%~60%在下圖中D4起續(xù)流作用，把它改成MOSFET就變成了同步整流的PWM變換，單節(jié)電芯效率可以提高大約4~8%，雙節(jié)電芯2~4%，但對3~4節(jié)的鋰電池來講變化不大。充電方法－限流恒壓法優(yōu)點：1、和線性一樣簡單、安全、低成本2、具有和PWM一樣的低發(fā)熱優(yōu)點缺點：需要一個輸出電壓隨輸出電流增大而下降的Adapter充電方法的選擇在小電流或低壓差時首選線性恒流恒壓法1.簡單2.低成本3.應用手機、MP3

在大電流或高壓差時首選PWM恒流恒壓法1.高效率2.快速充電3.應用如筆記本電腦、便攜式DVD等在電流較大，受到成本、空間或發(fā)熱的限制，可以考慮選用限流恒壓法1.兼有線性法和PWM法的優(yōu)點：簡單、低成本、低散熱2.要求Adapter輸出電壓隨電流的增加而下降，實質上是電源內阻效應的正面應用。充電終止電壓對電池壽命的影響充電終止電壓越高，電池的壽命越短，4.2V是這種函數關系的拐點

在4.2V附近，即使1%的電壓誤差將會導致壽命變化1/3，因此常規(guī)1%的終止電壓精度其實是不夠的，0.5％的電壓誤差會較好。充電終止電流對電池容量的影響1%的終止電壓變化，將使容量改變8%，過充電會使得容量看起來更大，欠充電會使容量得不到充分的利用，由此可見，終止電壓精度對于充電器是至關重要的參數。如果充電器電壓精度均保證為0.5%，可以使電池的容量得到大約4%的改善充電終止算法及檢測基于鋰離子電池的結構特性，絕對的100%充電完成將耗費很長的時間，實際上是“不可能完成的任務”。在前面的終止充電電壓和容量的關系圖上可以看出，“沒有最滿，只有更滿”

所有充電終止判斷都是基于容量利用程度、充電時間、使用壽命以及安全程度之間的權衡因此,在工業(yè)界現在普遍使用“同時”滿足下面的條件來判斷充電飽和終