电源IC保持输出电压恒定的工作机制

本期技术电子杂志主题为“电源IC基础及小型/低功耗设备、控制/处理电路板的电源设计”。

上期介绍了电源电路的作用，以及将电源设计分为“输入电源与电源结构”、“所用电源IC”两部分进行思考的方法。本期第二期的内容，将讲解电源IC最基本的功能——“保持输出电压恒定的机制”。

第2期｜保持输出电压恒定的机制

■ 电源IC的基础是“恒压控制”

电源IC的基本功能是，即使输入电源或负载状态发生变化，也能尽可能保持输出电压恒定。

例如，在电池供电的设备中，随着使用时间的推移，电池电压会逐渐下降。此外，MCU、传感器、RF通信模块等负载的消耗电流会因工作模式的不同而发生显著变化。为了在这些条件下仍能稳定地向负载电路提供所需电压，电源IC会在内部持续监控输出电压的同时进行控制。

■ 用水槽和阀门来理解恒压控制

将恒压控制类比为水槽和阀门，会更容易理解。

请想象左侧有一个大水槽，右侧有一个小水槽。左侧的水槽，相当于电池等输入电源。水面高度即为输入电压 VIN。右侧的水槽，相当于连接到负载电路的输出侧电容器。水位高度即为输出电压 VOUT。从右侧水槽流出的水，就是流向负载的输出电流 IOUT。而连接左右水槽、控制水流通路中的阀门，则相当于电源 IC 内部的控制元件。通过调节该阀门的开启程度，可以保持右侧水槽的水位，即 VOUT 恒定。

■ 负载电流变化时会发生什么

当负载电路的消耗电流保持恒定时，阀门的开度也基本保持不变，因此 VOUT能维持稳定。但是，如果负载电流 IOUT 突然增大时，右侧水槽流出的水量也会增加。结果就是，水面会暂时下降。电源IC检测到这一变化，会将阀门大开以注入更多水，试图将VOUT恢复到原来的电压。相反，如果负载电流突然变小，水就会变得多余，因此会调整阀门使其关闭。像这样针对负载变化而使输出电压恢复的动作，在电源中被称为负载瞬态响应。

■ 瞬态响应至关重要的场景

负载瞬态响应在以下类型的设备中尤为重要：

・反复在休眠和运行状态之间切换的低功耗MCU

・仅在发送时产生大电流的RF通信模块

・因运算负载导致电流急剧变化的MPU、FPGA、SoC

・包含传感器及模拟电路的小型设备

如果输出电压波动较大，可能会导致负载电路误动作、通信不稳定或测量精度下降。因此，在选择电源IC时，不仅要关注最大输出电流，还需确认负载电流的突变幅度。

■ 在LDO中，是什么起到了“阀门”的作用

对于LDO而言，位于输入VIN与输出VOUT之间的Pch FET或晶体管，相当于前文比喻中的“阀门”。在LDO内部，通过电阻对输出电压进行分压，并与基准电压进行比较。如果输出电压下降，就会加大控制元件的导通程度以提高输出；如果输出电压上升，则会缩小控制元件的导通程度以降低输出。通过这种方式，在持续监测并校正输出电压的同时，保持电压恒定。

■ 设计时需确认的要点

理解了恒压控制原理后，在选择电源IC时需要关注的要点也就更容易梳理了。

首先，需要确认负载电路所需的电压和电流。其次，需要确认负载电流的变化情况。不仅要关注平均电流，发送时、启动时、运算时的峰值电流也至关重要。此外，还需确认在负载波动时，可容忍的电压波动幅度。

在电源IC的数据手册中，负载瞬态响应波形和PSRR等特性，对于判断其是否符合应用需求具有参考价值。

＜总结＞

电源IC的工作原理是，即使输入电源或负载状态发生变化，也能保持输出电压恒定。其基本原理是通过监测输出电压，并调节控制元件的导通程度来实现的稳压控制。

用水槽来比喻的话，输入电压VIN 相当于左侧水槽的水位，输出电压VOUT 相当于右侧水槽的水位，输出电流IOUT 相当于从右侧水槽流出的水，控制元件则可视为阀门。

当负载电流突然发生变化时，电源 IC 能够以多快的速度恢复稳定输出电压，是电源 IC 选型中的重要关键点。

■ 下期预告

第3期｜您是否仅凭VIN、VOUT、IOUT这三个参数进行选型？——电源IC选型的基本原则

此期将讲解在选型电源IC时需要确认的基本规格，包括VIN、VOUT、IOUT、效率、Iq、工作温度范围等。

关于特瑞仕半导体株式会社

特瑞仕半导体株式会社(总公司：东京、东证Prime: 6616)从 1995年设立以来，作为日本国内唯一的模拟电源IC的专业厂家，以「Powerfully Small」为产品制造追求的目标，提供增加客户产品的附加值的世界最小级的高效率模拟电源IC以及可以加快客户产品开发的电源设计方案。

特瑞仕的产品以日本国内为首，通过海外6家分公司7处销售点销往世界各地，被广泛用于工业机器，汽车用品，通信，电脑产品，穿戴电子等市场。