【導讀】每個新的電子設備都需要某種程度的功率調節(jié)。無論新產品是依靠電池，外部電源還是交流電源運行，都需要為新系統(tǒng)設計一種調節(jié)策略。這可能涉及多個功率調節(jié)電路，通常帶有反饋以提供高效功率轉換。您可能需要各種支持組件和功能，以幫助您調節(jié)功率輸出，尤其是在系統(tǒng)以高功率運行時。
每個新的電子設備都需要某種程度的功率調節(jié)。無論新產品是依靠電池，外部電源還是交流電源運行，都需要為新系統(tǒng)設計一種調節(jié)策略。這可能涉及多個功率調節(jié)電路，通常帶有反饋以提供高效功率轉換。您可能需要各種支持組件和功能，以幫助您調節(jié)功率輸出，尤其是在系統(tǒng)以高功率運行時。
從用于CPU和GPU的VRM到簡單的線性DC穩(wěn)壓器的所有內容都需要在布局之前進行一定程度的評估。在創(chuàng)建布局之前，應對穩(wěn)壓器電路執(zhí)行一些基本仿真。這是在穩(wěn)壓器電路仿真步驟中要注意的內容，以及如何發(fā)現電路設計問題。
穩(wěn)壓器電路拓撲將確定設備的功能并定義組件在系統(tǒng)中的放置位置。每種類型的穩(wěn)壓器電路類型和拓撲結構都有不同的優(yōu)點和缺點。在開始模擬穩(wěn)壓器電路之前，您需要確定所需的穩(wěn)壓器類型，拓撲以及保持高轉換效率的穩(wěn)定電源所需的任何其他功能。
穩(wěn)壓器類型
在電子系統(tǒng)中可以找到兩種基本類型的穩(wěn)壓器：
線性穩(wěn)壓器。這些調節(jié)器使用線性電阻元件(例如電位計)或以線性方式工作的非線性元件(例如MOSFET)來提供穩(wěn)定的電壓輸出。線性穩(wěn)壓器的常見類型是串聯(lián)，并聯(lián)和低壓降(LDO)。這些調節(jié)器的效率可能在60%至80%之間。
開關穩(wěn)壓器。這些穩(wěn)壓器使用帶有放電電抗元件的開關FET，以根據特定應用的需要對輸出電壓進行升壓(升壓轉換器)或降壓(降壓轉換器)。這些穩(wěn)壓器提供高效的DC-DC電源轉換，效率輕松超過90%。用于GPU或CPU的VRM是開關調節(jié)器的一種常見類型。
盡管這些不同類型的穩(wěn)壓器電路設計提供不同的效率并需要不同的組件，但它們可以一起用于多級穩(wěn)壓器策略中。與單獨使用線性穩(wěn)壓器電路時相比，這種類型的布置可以提供更高的效率電源轉換，并且允許設計人員為以不同電壓運行的多個電路塊提供電源。
線性穩(wěn)壓器與開關穩(wěn)壓器
線性穩(wěn)壓器最簡單的類型是并聯(lián)穩(wěn)壓器。該穩(wěn)壓器電路使用齊納二極管在負載的低端和輸出的高端之間提供反饋，從而提供穩(wěn)定的功率輸出。盡管在穩(wěn)壓器的高端使用了雙極型晶體管或MOSFET來提供穩(wěn)定的輸出，但是串聯(lián)穩(wěn)壓器是這種情況的變體。晶體管的基極/柵極在反饋環(huán)路中連接至齊納二極管，然后將基極/柵極電流調制為穩(wěn)定值。
三種常見的線性電壓電路圖：(左)并聯(lián)，(中心)系列和(右)LDO
開關穩(wěn)壓器設計具有降壓，升壓或降壓-升壓拓撲。這些電路的共同主題是使用開關晶體管將輸出電壓和電流調節(jié)到特定水平。這需要為晶體管提供PWM信號以調制輸出電流。
開關穩(wěn)壓器和復雜的線性穩(wěn)壓器通常將反饋回路作為調節(jié)策略的一部分。對于LDO，反饋環(huán)路由一個硅帶隙基準電壓源和一個運算放大器(在LDO電路圖中稱為誤差放大器)組成。對于開關穩(wěn)壓器，反饋環(huán)路和控制策略可以像控制PWM信號的ADC和MCU一樣簡單，或者針對更高功率應用的可編程感應放大器一樣簡單。
在穩(wěn)壓器電路中，反饋不僅僅提供增益以達到所需的輸出功率。如果輸出電壓和電流開始偏離期望值，則還應控制調節(jié)器。大功率開關穩(wěn)壓器的常見策略是使用感測放大器和ADC來量化輸出電壓。然后，可以將其與已編程的MCU配合使用，以調節(jié)PWM信號的占空比，從而調制開關FET。
在模擬中，除非您使用有源組件，否則通常不需要直接檢查反饋回路中發(fā)生的情況。此處的關鍵是檢查通過反饋回路的電壓/電流是否不超過組件規(guī)格。電流檢測放大器(在開關穩(wěn)壓器中)或誤差放大器(在LDO中)之類的組件將具有絕對最大額定值，無法超過。您應該將這些額定值與反饋環(huán)路中的仿真電壓/電流進行比較，并在設計中應用適當的安全裕度。
進行這些比較就像使用直流掃描一樣簡單，并檢查輸入電壓何時在穩(wěn)壓器電路的組件上施加了不可接受的負載。如果沒有達到您要使用的最大DC電壓的絕對最大值，則您選擇的組件在運行期間可能很安全。
對于將要使用交流電源運行的更復雜的功率傳輸和調節(jié)系統(tǒng)，可能需要功率因數校正(PFC)電路，尤其是在使用開關調節(jié)器時。該附加電路放置在整流器之后，以平滑來自輸入的升壓交流電。如果流入開關調節(jié)器級的電流具有不可接受的高總諧波失真(THD)，則根據IEC 61000-3標準，您需要在輸入上使用PFC電路。
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