电源芯片大盘点！选型攻略？经典VS新兴哪个好「建议收藏」

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科技日新月异，各大半导体公司推出了成千上万的芯片，原来经典的芯片还具有领先性吗？

今天从实战解决问题的角度出发，对比经典电源芯片与新兴的电源芯片的异同，以及教大家如何基于真实的需求完成器件选型，开启板级电源的设计。

器件选型涉及到非常多的考量因素，虽然大家都已经学习了不同的电源的拓扑结构，但当真正做设计的时候，到底选哪个芯片，还是无从下手。有可能就找一个过去用过的，用得顺手的或者找同事或者是公司以前用过的简单芯片，快速拿过来就用。但大家有想过吗，有可能你选择的这个器件真的不一定匹配和适合新的设计。

所以接下来，老师带领大家思考板级电源的设计及选型问题。下面就挑选了大部分工程师在设计中会用到的四大类芯片：Reference 电压基准、LDO、降压Buck电路与升压Boost电路。这四大类别基本上囊括了板级电源设计当中90%以上的电源需求。

每个电源需要考量很多不同的参数指标：

比如开篇讲过的LDO 在设计时，就要考虑到输出电流、最小压差、实际工况、封装热阻、低噪声、瞬态响应、静态电流等等。

而Buck和Boost则要考虑输入/输出电压、输出电流的能力、开关频率、转换效率、瞬态响应、静态电流、纹波和EMI等等。

同时Buck和Boost还有两个参数指标要单独考虑，Buck电路的最大占空比，Boost电路的输出隔离。

大家看到的Buck电路和Boost电路用的最多的都是集成MOS管、电感外置的。什么情况下需要用来Controller，用外置的MOS管呢？现在比较流行的全集成模块到底有什么优点，什么缺点？下面将会一一解答。

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Reference 电压基准

电压基准在板上的应用，很多人不会在意。在讲LDO的时候，我们也提醒过大家，千万不要用LDO去代替Reference。

在信号链路中，为什么要用Reference电压基准呢？因为在ADC和DAC的电路当中，都需要有一个可以用来做比较的、精密的、稳定的、可靠的、低噪声的、希望它恒定不变的电压源作为基准。

基准是有专门的芯片的，从结构上来讲分为两大类：

一类是并联型或者分流型电压基准；一类是串联型的电压基准，通常有三个脚，给它加一个电压，然后它的另外一个脚就是输出一个稳定的基准，我们叫串联型的电压基准。

在选型时，基准电压有什么参数指标要去考虑？低噪声、初始电压精度 温度稳定性、长期漂移。

第一个，为什么噪声如此重要？以ADC采样为例，如果我们用ADC对信号做采样。假如基准是3.3V，那这个ADC采样的最小分度是多少呢？如果是12位ADC，最小分度是0.8mV，以此类推，如果是20bit的ADC的时，就需要3μV的最小分度，24bit则是0.2μV。这就意味着基准电压上面的纹波噪声不能超出了最小分度，否则ADC就没法比较，换句话说看不到真实的信号。所以基准电源的噪声尤为重要。

在基准电压芯片的数据手册中，有这几项：

为什么不能用LDO做基准，因为LDO的初始精度通常是1%或2%，3.3V并不是3.3V。但如果用基准芯片，标称的是±0.025%，意味着上电之后2.5V的基准，输出的电压值足够精密，就是±0.025%这个误差范围之内，非常非常精准。

第二，温度稳定性为什么重要？

在这个表格里面就是Low Dritt，就是当温度每变化一度，基准的电压就会发生偏移。

比如2.5V电压偏移多少，每一度百万分之二这个参数值，也是远远好于LDO的。温度稳定性决定了电路在不同的工作环境下，它的基准会不会漂移。

第三个，长期漂移是什么？

就是上电用了一段时间之后，电压会慢慢地漂，但漂得很小。那这个长期漂移我们叫Long Term Drift，就是上图中的第三个参数。

还有一个参数就是静态电流，在工业设备上意义不大，但在手持设备或者是需要长期稳定工作的精密采样设备中，静态电流就比较重要了。所有的这个基准的芯片在规格书里面都会给出这个Operation current，会看到比如说LT1389800nA 就0.8μA，然后REF3325 3312 339 各不一样，其实已经很低了。

电压基准的设计选型当中的一些要求和注意事项：第一点是选择基准的时候，首先要判断ADC或者是所需要的最小分度和精度是多少位的或者DAC这个精度要多少；第二点是要考虑的工作环境、温度稳定性，要去算这个误差会不会在范围之内。只要噪声、初始精度和稳定性都能搞定，基本上就是一个符合要求的基准电压芯片。

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LDO电源设计选型要点

为什么用LDO而不是用DC-DC？因为LDO简单，三个脚，一正一负一输出。但是LDO是有潜在风险的，用LDO的时候要考虑以下参数：输出的电流能力、最小压差、封装的热阻。

大家用LDO的时候，一定要想方设法地降低工况的压差，有两个参数指标，一个叫芯片的最小压差，就是输入端电压必须要比输出端要高。有些芯片可能只有30mV或40mV，而有的需要0.6V。如果可以选择最小的压差的芯片，而且去调整工况，就可以极大的优化LDO的效率。

举个例子，板子需要一个1.8V的电压，从2.5V转1.8V和从5V转1.8V，效率、损失和发热，差的不是一倍两倍。所以想用最小压差的芯片，就尽可能去找跟需要的输出电压最接近的那个电压的LDO。如果电流特别大，5A、10A，这时通常就不建议用LDO，会发热严重。

另外LDO的噪声也非常重要，LT1763-3.3这个输出的噪声大概是可能几十个μV，比开关电源要小很多。

在时钟或者射频、微波的电路中，LDO可以做一个非常纯粹的电源。特别是做无线通讯的时候，这里面就有一个很重要的参数指标，PSRR输入输出的噪声抑制比。dB值越高说明LDO的纹波和噪声的抑制能力就越强。

业界两大公司ADI 和TI的超低噪声到底能流到什么水平？

如果看RMS噪声，ADI有一系列的产品的RMS的噪声只有0.8uV，TI有一个器件器件有0.46uV，真的是超低噪声。

LDO不仅看RMS的噪声，还要看它的噪声抑制比，每家各有所长。TI最牛的最低噪声LDO，它的PSRR值大概78个dB。但是ADI的最高竟然可以高到117dB，简直真的是逆天了。

从噪声和PSRR值来讲，这代表了行业里面比较顶尖的水平。当然后面还应该会有越来越多的公司挑战这个极限，推高PSRR和降低RMS的Noise。

如果你做微波射频、高精度采样，那这个电源一定是需要选超低噪声的LDO的，但如果是普通的数字电路那无所谓了，1117就可以。

关于不同厂家的1117芯片对比以及瞬态响应复盘，在视频中有详细的讲解，可以拉至22:00分学习，这里不再介绍了。

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开关电源设计选型要点

经典的未必永恒。LM2596电路，相信很多工程师对这个电路熟悉的不能再熟悉。有人拿LM2596做简单的电源模块，但是这个经典的电路真的很好吗？

LM2596已经用了二三十年了，现在也出了新的芯片LM53603，还有ADI的LT8641，各种各样的芯片。这些芯片的区别在哪里呢？

首先看电感值，LM2596 47μH，LM53603 2.2μH，LT8641 4.7μH。如果同样的电流，感值只有其他的1/10，体积就大大的减少了。另外，同样的电流，绕到47μH的感值，要绕很多圈，铜也是有铜损的。所以大感值在电源系统里面未必真的是永恒的东西。

第二看输出电容，标配的规格书上面写的220μF 330μF甚至有470μF的电容，体积很大。但是新的器件三个22μF，差距够大。如果看占板面积，这个差别更大。

LT8641占板面积

LM53603占板面积

LM2596占板面积

从上面几张图可以看出：LM2596电路图，除了LM2596大芯片，还有两个大电容、一个大电感、二极管，一堆东西占板面积很大。而TI的新芯片的占板面积15mm×17mm，ADI的比这个还小，12mm×15mm左右。性能指标毫无疑问一定也是有优势的。

LM2596还需要一个二极管，这个很经典的二极管。但是LM53603，LT8641这两个电路都没有二极管，为了提高效率，在新的设计当中已经用MOS管来代替这个续流二级管，我们叫同步整流，这样会极大地提高系统的效率，而且外面不需要再加二极管，新的电路简单很多，体积小很多，性能也要好很多。

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以上对比，可以看出经典的东西，因为随着时代的变迁，可能真的不得不被淘汰。

下面来看一下说Buck/Boost的电路，在设计当中我们需要关注的参数和性能。

第一个输入输出电压和输出电流

那输入输出电压输出电压不用多讲，与用电设备有关。但输入电压要考虑系统的波动，比如说一个直流5V的适配器热插拔，电压值会冲到九点几V。如果选6.3V的DC/DC大概率就会烧掉，所以我们通常建议如果是板级用，选1.5倍的输入电压。如果是外面插线，最好按2倍来选。

电流怎么选呢？如果系统需要1A的电流，开关电源最好是选择2A左右的，这样有一定的余量，效率也比较高。但是要注意系统里面瞬间的峰值功率会不会很大，如果会，还要把这个值往上调。

第二个开关频率和转化效率

除了看系统有没有同步整流的二极管影响效率之外，最重要的两个损耗：开关频率越高推动两个MOS管去开关的时候，所需要的能量就越高，这叫开关损耗。因为MOS管本身是有Rds(on)，Gate端有Qg，要驱动Gate端，Rds(on)会产生损耗的话，频率越高，损耗越大。但是频率高的时候电感感值比较小，意味着电感的内阻比较小，损耗会降低，所以这个平衡就是开关损耗和电感损耗。

当对效率追求极致的时候，我们通常会做不同的开关频率，不同的电感感值，然后去测量效率点。所以开关频率和转换效率必须要去做平衡的，要么就追求开关频率高，然后很小的体积，但是这个时候效率会低。要么可以把开关频率适当下降，虽然说电感损耗会大一点，但是开关损耗会下来，效率会适当的优化。

当然还有一点是电路里面有上管下管两个MOS管、一个电感，PWM的波形上升的这个斜率也会影响到效率。上管和下管是不能同时打开的，在系统设计里面都会有一个固定的死区时间，为了避免上管下管直接导通。这个死区时间如果越大，它对系统效率的影响也大。

第三个瞬态响应

开关电源的瞬态响应和电路的开关频率、电容的特性有很大关系。

大家看这个波形：

这个应该是二三十年前用模拟示波器测的，0.5A到2A的电流变化，它的瞬态响应接近300mV，电压的波动已经很大了。

但是如果你看新的芯片，0到3A 这个电流比上面的大，但瞬态响应也就200多mV。如果把电流变化设成500mA到2A，瞬态响应一定是非常小的。

所以我们可以理解为：这两个芯片，频率高的用的陶瓷电容或者内阻比较小的，瞬态响应是有优化的。

第四个静态电流

静态电流与芯片的工作模式、芯片设计有关。如果做板级的设计是工业控制这种机床，静态电流大小是无所谓。但如果是用的手持设备或者用电池供电的设备，静态电流就不能忽视。

先看经典的LM2596，它有150KHz的开关频率，是固定频率模式，就是不管有没有负载，固定频率正在波动，静态在5到10mA。

看LM53603，有一个自动轻负载模式，2.1M开关频率，但是它的静态电流只有24个uA，比2596小很多。而LM8614静态电流就更低，仅有2.5uA。

第五个纹波和噪声

先去简单地看一下纹波和噪声是怎么产生的。这是一个非常经典的Buck电路：

Buck电路的工作在上半周，即上管打开的时候，是通过Vin、上管、电感和负载形成一个环路，这样的话电感就有工作电流。而电感的电流是不能突变的，那当上管关闭、下管打开的时候，这个电感的电流会在输出和下管之间循环。然后PWM波形就是上管、下管交替打开就行了，通过电感的储能释放，实现了电压降压的变换。

我们就会发现下面的电感其实是有个泄放回路的，就是Mbot，给电感续流，但是在输入端的引脚上的寄生电感就没有那么走运了，当上管打开、关闭的瞬间，这里面电感的电流没有地方跑，这是一个很致命的，所以这里面有一个非常大的Hot Loop，就是非常高的di/dt。寄生电感越大，di/dt和Hot Loop对这个系统的EMI和噪声的影响就越大。

如果看SW这个点，即两个MOS管的中间节点，就会发现SW的节点的振铃是会抖动，这也会导致传播EMI和辐射EMI。

那怎么解决EMI的问题，因为这个抖动振铃越大，纹波和噪声和EMI的问题就越严重。

如果在节点的地方并小电容，对系统的性能影响是显而易见的，但这是治标不治本的方法，应该用更好的电路实现低EMI。

ADI做了一个大胆的创新和尝试，在芯片的输入端做了两个Vin，这两个Vin和地形成两个反向的电流环，两个相反的电流环产生磁场闭合，所以大家会看到有两个Vin、两个Cin在电路上对称排布。

在芯片的内部，硅片是通过经线邦定到框架上引脚出去的，衬底引脚都是电感，所以如果把这个芯片和经线邦定改成用倒装的这种方式，Flip-Chip，就是这个引脚直接贴片出来就是引脚，就会改善很多。

LT8610是传统的封装工艺，LT8614是flip chip的封装工艺，显然EMI改善明显。

这种新的封装工艺和框架结构既解决了效率的问题，也解决了EMI的问题，纹波也得到优化。

虽说Buck和Boost电路有很多是共性，但是有两个不同的特点。

Buck电路是最大占空比，特别是做手持设备的，这是比较重要。手持式设备采用电池供电，如果想把这个电池用到3.3V，最好的方式就是找一个支持100%占空比的芯片。100%占空比意味着上管常开、下管常闭，这样的好处是即使电池到了3.3V，输出也可以是3.3V。如果不凑巧选了一个只有80%的占空比的芯片，3.3V的20%就是0.66V，那就需要至少3.9V的输入才可以转出3.3V的电压。

Boost电路则是输出隔离。大家看一下Boost电路内部结构：

当芯片不工作（Shut Down）的时候，输入直接就贯穿到Vout。举个例子如果是2.7V到4.4V转12V，当芯片工作的时候VOUT就是12V没毛病。但当芯片不工作的时候，如果电池电压是3.5V，3.5V通过L1、体二极管，就直接跑到后面，Vout就有3V到3.5V之间的电压。这个电压可能会让系统的耗电急剧增加，也有可能让后面需要12V升压的电路处于一个不正常的工作状态，有可能再重新上来就死机了。所以Boost电路升压电路里面支不支持输出隔离是一个非常重要的参数指标。

怎么实现隔离呢？其实就是做了个背靠背的MOS管，去隔断体二极管，我们叫Output Disconnect。所以TI、ADI的芯片都有这样的设计，叫真正的输出断接，或者是关断时输入输出真正断开。

开关电源里面还有一些其他的一些信息跟大家做一个简单快速的分享:

1）为什么要使用外置MOSFET开关电源控制器？

虽然集成度越高越好，MOS管集成在芯片内部简单，外面挂MOS管太麻烦了。但是我们会看到有的电路还是需要用外置MOS管电路，为什么呢？

第一，转换效率的问题。之前提过MOS管的Qg和RDS(on)是开关损耗的主要来源，但是芯片内部集成的MOS管通常性能指标不好，RDS(on)比较大，会造成很大的开关损耗。所以如果想要很好的转换效率，一定要选一个非常好的MOS管。但这种好的MOS管是很难被集成到芯片里面去。

第二，封装和热阻。DC-DC和LDO一样也有热阻的问题，只不过因为DC-DC效率比较高，就忽略了热阻的问题。但是你要知道普通的芯片内置MOS，效率最高也就到95%左右，还有5%的功率耗散在这个芯片上。如果电流太大了，即有很大功率热阻。如果ADI和TI的官网，对于非外置MOS，即内部集成MOS管的芯片电流也就40A到头了。再往上做，黔驴技穷了。但是如果去找controller，就是外置MOS的控制器，TI在控制器的外置MOS的电流可高达 700A， ADI在控制器的外置MOS的也可以做到400A。所以如果需要大功率、很好的转换效率、极度地优化系统的性能，外置MOS是跑不掉的。

使用外置MOS管的开关电源控制器这是个学问。如果是新手，建议大家先不要这么弄。如果是新手怎么办呢？选择全集成的，就是把MOS管电感什么都集成，这种ADI叫Micro Module，TI叫MicroSIP。

电源器件的选型，到这里基本上讲完了。但还有2个建议给到大家：

第一个，必须要学会去各个公司的官网做参数的筛选和检索。

第二个，电源仿真和PCB Layout哪个重要？

说句实话，如果你对PCB Layout的布局没有任何概念，不建议你天天去依赖于电源仿真，因为数字电路和模拟电路是完全不同的，模拟电路用仿真不能解决以下问题：

无法优化电路板的阻抗，因为仿真只是一个连接关系，但是电路里面的阻抗、走线、铜厚、多少个过孔，系统是完全没有办法直接去模拟和仿真的。

无法模拟电流环路对系统性能的影响，有时间你当然学电源仿真，没时间那怎么办。最简单的方法，好好地去看规格书。基本上，任何电源芯片的规格书都会给一个布局走线图，比如ADI的LT8641，电感怎么摆，哪个位置打多个孔，全部都给你标出来了。

另外还给一些建议，在做电源的布局走线的时，一定要想办法优化说让电路的走线阻抗越低 越小越好，电流环路越小越好。

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文章转载自：达尔闻说

文章来源于：电源芯片大盘点！选型攻略？经典VS新兴哪个好

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