【Maker 電子學】漫談電源系統的原理與設計 — PART 7

作者:Bird

上一回【Maker 電子學】漫談電源系統的原理與設計—PART 6,我們談了穩壓 IC 中,回授控制電路的穩定性,並且簡單地說明了 phase margin 和 loop gain 這兩個用來衡量、分析回授電路穩定性的參數。

這一回我們要來看一些實際的線性穩壓 IC 電路設計,將我們這幾次所學到的知識做個總結。

簡單的例子

我們先從一個最簡單的例子開始。

假設我們想設計一個用 ESP-8266 的模組——ESP-12E 驅動的 Wi-Fi 裝置,用 USB 供電,該怎麼設計這個電源系統呢?

(圖片來源:Bird 提供)

根據 ESP-12E 模組的 datasheet,它可以接受的電源電壓是 3.0 V – 3.6 V,建議值是 3.3 V,但耗電就比較複雜了,這種複雜的 SoC 又有 RF 系統,在不同的工作條件下,耗電電流會有很大的不同,不過 datasheet 上多半會給我們一些參考數值:

(圖片來源:Bird 提供)

從表中可以看出來,ESP8266 在 802.11 b 的發射模式、使用 CCK 調變、發射功率 17 dBmW 時,耗電電流會到 170 mA;而接收時的耗電不管是 802.11 b 還是 802.11 g/n,都在 50 mA 上下。

在 Modem-Sleep,也就是通訊的部分關閉時,耗電只有 15 mA,因此我們可以知道 ESP8266 主要的耗電還是在 Wi-Fi 的部分,它裡面的 Tensilica L106 處理器其實還蠻省電的。由於我們的目標電路裡可能不只 ESP-12E 模組,還會有一些周邊零件,因此在估計最大電流時還是抓寬鬆一點,就設定 200 mA 好了。

標準 USB port 的供電能力是 5 V/500 mA,因此供電電流足夠 ESP-12E 模組使用。

我們現在需要一個 5V 轉 3.3 V 的線性穩壓器來產生這個 3.3 V,最大 200 mA 的電源。

效率與功耗

我們先來算一下效率。咦?還沒決定穩壓 IC 用哪一顆就能算效率嗎?沒錯,線性穩壓電路其實沒有什麼效率可以探討,它上面的消耗功率只跟輸入和輸出的電壓差以及總電流大小有關,因此選什麼 IC 對效率的影響不大。

這個電源的最大功耗會發生在負載最大時,也就是電流 200 mA 時,這時的功耗是:

PD =(VIN-VOUT)* IOUT = (5 V – 3.3 V)* 0.2 A = 0.34 W

知道功耗之後就可以來計算效率,所謂效率就是輸出功率與輸入功率的比值。線性穩壓器由於是用「消耗」的方法將電壓調整到目標電壓,它的輸入電流等於輸出電流,因此效率只受到電壓差的影響。這個電路的效率是:

Efficiency = POUT / PIN =(3.3 V * 200 mA) /(5 V * 200 mA)

可以看到上面式子中,200 mA 那一項會消掉,因此效率就只跟電壓有關了。這個電路的效率就是 3.3 / 5 = 66%。

接下來我們要選 IC。前幾回常常拿來做例子的 78 系列穩壓 IC 最低的輸出電壓只到 5 V,沒有 3.3 V 可以用的型號。我們之前還提過一個線性穩壓 IC,叫做 LM1117,它的最低輸出電壓可以設定到 1.25 V,也有許多固定電壓的版本。

(圖片來源:Bird 提供)

LM1117 也是一個已經標準化多年的電源 IC,許多半導體供應商都有製造。接下來我們就以 TI 的 datasheet 來帶讀者看看設計時需要注意的關鍵參數。

TI 的 LM1117 有幾種不同的封裝:SOT-223、TO-220、TO-252、TO-263、以及 WSON。其中 TO-220 是傳統的插腳式封裝,其它的都是 SMT 封裝。原則上形狀相近的封裝,越大顆的散熱越好、熱組越低。WSON 則是較新的無接腳式 SMT 封裝,這種封裝的底部有一個直接與內部半導體晶粒(die)直接相連的焊點,可以迅速的將熱源導至 PCB 上,因此它雖然不大,但卻有優良的散熱結構。

Datasheet 中有列出不同封裝的熱阻,我們可以根據熱阻以及消耗功率來計算穩壓 IC 是否工作在允許的溫度。

(圖片來源:Bird 提供)

我們以 SOT-223 爲例,它的晶片對環境熱阻(TJA或 θJA)是每瓦 61.6 ℃。我們前面算過,這個穩壓電路最大的功耗是 0.34 W,因此它的晶片對環境溫升就是:

0.34(W)* 61.6(℃/W)= 20.9 ℃

也就是說,當這個穩壓電路在滿載下工作時,它的晶片溫度會比環境溫度高 20.9 ℃;如果環境溫度是 25 ℃,晶片的溫度就會是 25 + 20.9 = 45.9℃。這個溫度還遠低於晶片的最高工作溫度,因此 SOT-223 封裝對我們這個消耗功率來說就已經足夠,不需要選用散熱更好(通常也比較貴)的封裝。

壓差

接下來我們要看 LM117 工作時的最小壓差(dropout)是否符合這個電路的要求。我們要從 5 V 降到 3.3 V,因此壓差就是 5.0 – 3.3 =1.7(V)。

LM1117 的最小工作壓差是多少呢?DatashDeet 裡面這樣寫:

(圖片來源:Bird 提供)

最小工作壓差會隨著電流和溫度改變,原則上電流越大,所需要的最小壓差就會越大;溫度越高,所需要的最小壓差也會越大。從上表得知,在輸出電流 500 mA,以及 0 到 125℃ 的晶片溫度下,LM1117 所需要的最小壓差是 1.25 V,小於我們電路的壓差 1.7 V,因此 LM1117 可以在這個 5 V 轉 3.3 V 的設定之下工作。

電壓設定

如果我們使用固定電壓版本的 LM1117-3.3 來輸出 3.3 V,只要將 ADJ 接地,讓 LM1117-3.3 內部有正確的參考電壓,就可以輸出 3.3 V 了。

(圖片來源:Bird 提供)

但如果我們是用可調電壓版的 LM1117-ADJ,就需要額外兩個電阻來產生 ADJ 接腳所需要的電壓:

(圖片來源:Bird 提供)

LM1117-ADJ 的回授參考電壓是 1.25 V,因此我們要用 R1、R2 這兩個電阻分壓產生 1.25 V 的電壓,讓 LM1117 與參考電壓比較。

不過由於 LM1117-ADJ 並沒有接地,它怎麼知道 1.25 V 是從那裡算起呢?

事實上 LM1117-ADJ 的內部整體參考電位是以它的輸出電壓爲基準,這一點我們可以從 datasheet 中揭露的內部功能方塊圖得知:

(圖片來源:Bird 提供)

因此 LM1117-ADJ 的「穩壓」並不是穩定 VOUT 與 GND 之間的電壓(它根本不知道 GND 在那裡),而是穩定 VOUT 與 ADJ 腳之間的電壓。LM1117-ADJ 會調節它的輸出,使得 VOUT 與 ADJ 之間的電壓差恆爲 1.25 V。

R1 和 R2 所串連成的分壓電路,R1 上的跨壓是 VOUT *(R1/(R1+R2)),正好就是 VOUT 到 ADJ 腳之間的電壓。

因此我們設定這個電壓爲 1.25 V,得到這個方程式:

1.25 V = VOUT *(R1/(R1+R2))

把它整理一下:

VOUT = 1.25 * ((R1 + R2) / R1)= 1.25 *(1 + (R2 / R1))

因此我們可以用 R2/R1 的比值來決定輸出電壓。我們要輸出爲 3.3 V,就可以用 R1 = 220 Ω、R2 = 360  Ω:

VOUT = 1.25 *(1 + (220 / 360))= 1.25 * 2.63 = 3.295 V

既然輸出電壓只由 R1、R2 的比值決定,那我們用 2.2 K、3.6 K,甚至 22 K、36 K 可以嗎?原則上可以,但會有額外的問題。

首先是 ADJ 接腳其實會有個小小的電流從 LM1117-ADJ 內部流出來,經過 R2 到 GND。

(圖片來源:Bird 提供)

這個電流會在 R2 上建立一個電壓,讓 ADJ 腳的電壓比預期高。因此在 IADJ 的推波助瀾下,輸出電壓就會變成:

VOUT = 1.25 *((R1 + R2) / R1)+ IADJ * R2

IADJ 有多大呢?根據 datasheet,其實很小:

(圖片來源:Bird 提供)

典型值只有 60 uA,最壞的狀況也只有 120 uA。當 R2 很小時, IADJ 跟 R2 的乘積就很小。以前面的例子來說,當 R2 是 360 Ω 時,這個額外的電壓偏離是:360 Ω * 60*10-6 A = 0.0216 V = 21.6 mV。

但如果我們用 22 K/36 K 這個組合時,由於 R2 變成 100 倍,R2 上面由 IADJ 造成的額外電壓也就變成 100 倍:36000 Ω * 60*10-6 A = 2.16 V,這個電壓已經大到讓這個穩壓電路完全失控了。

因此在設計像 LM1117-ADJ 這種回授電壓偵測腳上的電流並非小到完全可以忽略的穩壓 IC 時,電壓回授的電阻不能放太大,否則會因爲 ADJ 腳上的電流造成額外的電壓偏移。

輸入與輸出電容

根據 LM1117 的 datasheet, 輸入電容並非必須,但是建議要有。一顆 10 uF 的鉭質電容可以應付絕大多數的應用。

至於輸出電容就很重要了,它在 LM1117 的整體回授電路中扮演很重要的角色,因此一定要照 datasheet 中的要求下去設計。LM1117 對輸出電容的要求是至少要 10 uF 的鉭質電容,容量越大,對輸出的穩定性和整體的反應速度都有正面的幫助。

鉭質電容是電解電容的一種,它的特性很接近一般常用的鋁電解電容,但密度更高,因此同樣耐壓、同樣容量的鉭質電容會比鋁電解電容要小。

電容器除了容量以外,在擔任濾波角色時,有一個很重要的特性叫做等效串聯電阻(ESR,equivalent series resistor)。因爲電容器的極板、導線、封裝都有電阻,因此現實世界中的電容器一定像是有個小小的電阻串聯在它上面,這就是電容器的 ESR。

ESR 會影響電容器的充放電特性,ESR 越大,電容器充電、放電越慢,在電容器上的能量損耗也越大。電解電容由於結構與化學特性的關係,ESR 比較大,通常在幾歐姆左右;陶瓷電容的 ESR 比電解電容小很多,大概在零點零幾歐姆的範圍,甚至更低。

由於 ESR 會讓電容器在充放電時損耗能量,因此穩壓電源的輸出電容器應該要使用 ESR 儘量低的電容器。現代的電源 IC 多半都會指定使用陶瓷電容做爲輸出電容器。

不過由於 LM1117 是一顆很老的電源 IC,在 LM1117 誕生的那個年代,大容量的陶瓷電容還不普遍,並不常使用在穩壓電源的輸出電容上,因此 LM1117 內部的回授電路是針對鉭質電容或鋁電解電容來設計的。

它的 datasheet 中有提到,LM1117 必須搭配 ESR 在 0.3 Ω 到 22 Ω 的輸出電容,而幾乎所有的陶瓷電容 ESR 都遠小於這個範圍,因此使用像 LM1117 這種有一點年紀的電源 IC 時,不能用陶瓷的輸出電容,否則可能會造成回授電路的不穩定。

小結

這回我們以 LM1117 爲例子,說明了在選用一顆線性穩壓 IC 時需注意的設計參數,並介紹了功耗、壓差、電壓設定等計算,以及輸出電容的選擇。

但 LM1117 畢竟是一顆比較老的 IC,它的很多特性並不符合現今的主流零件市場,因此下一回我們會以較新的電源 IC 爲例,繼續介紹線性穩壓電源的選擇與設計,也順便看一下利用電作爲電源時,該注意的事項。

(責任編輯:賴佩萱)

Bird

Author: Bird

在外商圈電子業中闖蕩多年,經歷過 NXP、Sony、Crossmatch 等企業,從事無線通訊、影像系統、手機、液晶面板、半導體、生物辨識等不同領域產品開發。熱愛學習新事物,協助新創團隊解決技術問題。台大農機系、台科大電子所畢業,熱愛賞鳥、演奏管風琴、大提琴、法國號,亦是不折不扣的熱血 maker。

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