CN104977960A - 一种电源系统及具有该电源系统的电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电源系统及具有该电源系统的电子设备，其中，所述电源系统通过DC-DC开关变换器为运算放大器、功率调整管提供电压，为基准电压源供电得到一个基准电压，基准电压通过输入RC网络作为运算放大器的参考电压；电阻反馈网络对输出电压进行采样，将采集到的信号结果反馈到运算放大器，运算放大器将采集到的信号结果与参考电压进行比较的差值通过放大后输入到功率调整管；反馈环路二作为运算放大器的负反馈环路补偿环路零极点。本发明使用分立器件，使设计更加灵活，实现高电源抑制比、低噪声的供电系统的设计，抑制了外电源的纹波与噪声，增加了电子系统内外电源的隔离度，提高了系统的抗干扰能力。

Description

一种电源系统及具有该电源系统的电子设备

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种电源系统及具有该电源系统的电子设备。

背景技术

电源设计是电子系统设计的关键环节。随着无线电技术的迅猛发展，无论是通信技术领域还是无线电测试测量等其他一些相关领域，都对电源系统的电源抑制比、噪声等指标提出了越来越苛刻的要求。任何通过外部电源线引入到系统的不需要的信号以及电源系统自身的噪声，都可能成为无线电系统不稳定以及产生干扰的潜在因素。为了适应不断提高的系统要求，无线电系统中的电源作为外部电源和系统供电之间的转换与隔离，必须在电源抑制比(Power Supply Rejection Ratio，简称PSRR)、噪声等方面表现得更加优秀。

对于一般的电源系统而言，首先，需要一个电压相对较高的外电源输入。同时，为了提高电源供电效率，需要先利用DC-DC开关变换器将这个外电压变换到略高于系统实际需要的电压，再通过低压差线性稳压器(low dropoutregulator，简称LDO)进行滤波、降噪处理。按照传统方法，常常采用单片集成线性稳压器。这样虽然可以节约设计成本与设计空间，但是当电源要求较高时会产生一些问题。

单片集成线性稳压器中的基准电压源的输出电压低于输入电压，通常只有1V左右，而系统需要的电压通常在5V、3.3V、1.8V。这就需要引入反馈网络(片内或者片外)提高稳压器的闭环直流增益。这就导致在放大参考电压的同时放大了帯隙基准源的噪声电压，而且增大了运算放大器的噪声增益，使电源输出噪声恶化，影响了对电源噪声敏感的器件的性能。

单片集成线性稳压器涉及到环路稳定性、噪声性能、瞬态相应、最大输出电流、电源抑制比等诸多指标。一般通用性的稳压器芯片往往在这些指标之间进行折中，尤其是在输出电压、带负载能力与输出电压噪声、电源抑制比之间，设计需要做指标权衡，所以无法很好满足高性能电路系统的特殊要求。而一些在某一个或几个指标上表现突出的稳压器芯片又无法根据实际的电磁环境、电路环境对相关指标的频率响应特性进行进一步优化，使之更加符合实际需求。所以，在指标条件比较苛刻时，很难选到符合条件的芯片。或者，在调试过程中发现电源问题，却无法对电源本身进行适当调整。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明的技术方案是这样实现的：

一方面，本发明提供了一种电源系统，包括：包括：DC-DC开关变换器、基准电压源、运算放大器、功率调整管、电阻反馈网络、反馈环路二、输入RC网络；

所述DC-DC开关变换器为所述运算放大器、所述功率调整管提供电压，为所述基准电压源供电得到一个基准电压，所述基准电压通过所述输入RC网络作为所述运算放大器的参考电压；所述电阻反馈网络对输出电压进行采样，将所述采集到的信号结果反馈到所述运算放大器，所述运算放大器将所述采集到的信号结果与所述参考电压进行比较的差值通过放大后输入到所述功率调整管；所述反馈环路二作为所述运算放大器的负反馈环路补偿环路零极点。

优选地，所述DC-DC开关变换器包括：降压变换器或者升压变换器。

优选地，所述升压变换器工作采用断续模式。

优选地，所述DC-DC开关变换器开关频率应在500Khz以上。

优选地，所述基准电压源采用带隙结构。

优选地，所述运算放大器采用高开环增益、高电源抑制比、低噪声输出的运算放大器。

优选地，所述功率调整管采用高增益、大电流、单PMOS管或者PNP管。

优选地，所述电阻反馈网络包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1；

所述第一电阻R1与所述第一电容C1并联连接，所述并联连接一端分别与所述运算放大器正向输入端，所述第二电阻R2一端，所述并联连接另一端接所述功率调整管的输出电压端；

所述第二电阻R2另一端接地。

优选地，所述输入RC网络包括：第三电阻R3、第四电阻R4、第二电容C2；

所述第三电阻R3一端分别接所述第四电阻R4一端、所述第二电容C2一端，所述运算放大器负向输入端；所述第三电阻R3另一端接所述基准电压源一端；

所述第四电阻R4另一端接地；

所述第二电容C2另一端接地。

本发明提供了一种电子设备，包括：如上任一一项所述电源系统。

本发明的技术方案通过DC-DC开关变换器为运算放大器、功率调整管提供电压，为基准电压源供电得到一个基准电压，基准电压通过输入RC网络作为运算放大器的参考电压；电阻反馈网络对输出电压进行采样，将采集到的信号结果反馈到运算放大器，运算放大器将采集到的信号结果与参考电压进行比较的差值通过放大后输入到功率调整管；反馈环路二作为运算放大器的负反馈环路补偿环路零极点。本发明使用分立器件，使设计更加灵活，实现高电源抑制比、低噪声的供电系统的设计，抑制了外电源的纹波与噪声，增加了电子系统内外电源的隔离度，提高了系统的抗干扰能力。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种电源系统结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种电源系统电路图；

图3为本发明实施例提供的一种电子设备结构示意图；

图4(a)为本发明实施例提供的一种电源系统带反馈环路二的开环增益相位曲线图；

图4(b)为本发明实施例提供的一种电源系统不带反馈环路二的开环增益相位曲线图；

图5为本发明实施例提供的一种电源系统的稳压器闭环增益曲线图；

图6为本发明实施例提供的一种电源系统的不同运放带宽下的电源抑制比图；

图7为本发明实施例提供的一种电源系统的功率调整管输入端的电源抑制比图；

图8为本发明实施例提供的一种电源系统的输入RC网络对等效输出噪声密度谱的优化图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

如图1为所示为本发明实施例提供的一种电源系统结构示意图；该电源系统包括：DC-DC开关变换器、基准电压源、运算放大器、功率调整管、电阻反馈网络、反馈环路二、输入RC网络；

所述DC-DC开关变换器为所述运算放大器、所述功率调整管提供电压，为所述基准电压源供电得到一个基准电压，所述基准电压通过所述输入RC网络作为所述运算放大器的参考电压；所述电阻反馈网络对输出电压进行采样，将所述采集到的信号结果反馈到所述运算放大器，所述运算放大器将所述采集到的信号结果与所述参考电压进行比较的差值通过放大后输入到所述功率调整管；所述反馈环路二作为所述运算放大器的负反馈环路补偿环路零极点。

需要说明的是，所述DC-DC开关变换器包括：降压变换器或者升压变换器；所述升压变换器工作采用断续模式；所述DC-DC开关变换器开关频率应在500Khz以上。

还需要说明的是，所述基准电压源采用带隙结构。

还需要说明的是，所述运算放大器采用高开环增益、高电源抑制比、低噪声输出的运算放大器。

还需要说明的是，所述功率调整管采用高增益、大电流、单PMOS管或者PNP管。

基于以上实施例，如图2所示，为本发明实施例提供的一种电源系统电路图；该电路包括：DC-DC开关变换器1、基准电压源2、运算放大器3、功率调整管4、电阻反馈网络5、反馈环路二6、输入RC网络7；

其中，所述电阻反馈网络5包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1；

所述第一电阻R1与所述第一电容C1并联连接，所述并联连接一端分别与所述运算放大器正向输入端，所述第二电阻R2一端，所述并联连接另一端接所述功率调整管的输出电压端；

所述第二电阻R2另一端接地。

所述输入RC网络7包括：第三电阻R3、第四电阻R4、第二电容C2；

所述第三电阻R3一端分别接所述第四电阻R4一端、所述第二电容C2一端，所述运算放大器负向输入端；所述第三电阻R3另一端接所述基准电压源一端；

所述第四电阻R4另一端接地；

所述第二电容C2另一端接地。

基于以上电路，对本发明工作原理进行详细说明；

本发明实施提供的电源系统能够在保证输出电流大于1A以上的同时，保证电源PSRR和电压噪声不恶化，使用分立器件，使设计更加灵活，同时可以根据电子系统的实际需求，在传统电源系统框架的基础上，实现高PSRR、低噪声的供电系统的设计，抑制了外电源的纹波与噪声，增加了电子系统内外电源的隔离度，提高了系统的抗干扰能力。本发明实施例具体实现过程如下：

首先，为了提高电源的供电效率，需要根据输出电压的大小向功率调整管提供一个略高于输出电压的馈电电压源。这个电压可以通过DC-DC开关变换器1得到，整个电源的效率计算由式1给出。其中η_switch表示DC-DC开关变换器1的效率，V_in表示DC-DC开关变换器向功率调整管4提供的馈电电压。

$\mathrm{\η}={\mathrm{\η}}_{switch}*\frac{V_{out}}{{V_i}_n}$ ··························式1

电路采用负反馈结构，DC-DC开关变换器1给所述基准电压源2供电得到一个基准电压，该基准电压通过所述输入RC网络7作为运算放大器3的参考电压；所述电阻反馈网络5对输出电压进行采样，将结果反馈到所述运算放大器3与参考电压进行比较，两者的差值通过所述运算放大器3放大后输入到功率调整管4。此时，功率调整管4相当于一个受控电流源。功率调整管4两端的电压以及输出电流将随着运算放大器3输出电压的变化而变化，从而达到输出电压稳定的目的。负反馈条件下的闭环环路增益由式2给出，其中G为运算放大器3和功率调整管4的增益乘积。

$\frac{V_{out}}{V_{ref}}=\frac{G}{1+G\mathrm{\β}}=\frac{G}{1+G\frac{R_2}{R_2+R_1}}$ ··················式2

根据负反馈原理，在深度负反馈条件下，Gβ趋于+∞，电路的直流闭环增益仅和反馈链路有关，输入输出关系由式3给出。

$V_{out}=(1+\frac{R_1}{R_2})*V_{ref}$ ·························式3

根据负反馈理论，输入输出之间的的误差传递函数由式4给出，其中G为运算放大器3和功率调整管4的增益乘积。

$\frac{V_{out}-V_{ref}}{V_{ref}}=\frac{1}{1+G\mathrm{\β}}=\frac{1}{1+G\frac{R_2}{R_2+R_1}}$ ··············式4

所述DC-DC开关变换器1包括降压变换器Buck或者升压变换器Boost，可方便地得到高于或低于外部供电电压的需求电压。Boost变换器应工作在断续模式，避免连续模式下，右半平面极点造成的不稳定。所述DC-DC开关变换器1频率应在500Khz以上，可缓解后级电路对开关电压纹波抑制压力，同时减小电感体积，减小PCB面积。

所述基准电压源2为采用带隙结构来保证基准的稳定性和较高的温度稳定性。从式3可以看出，环路的输出电压与基准电压源提供的基准电压源2成正比。所以具有一个高PSRR，低噪声的基准电压源可以高性能线性稳压器的前提。

所述运算放大器3为高开环增益、高电源抑制比、低噪声输出的运算放大器。从式3、式4可以看出，低噪声、高增益可以降低输出电源的噪声，同时降低输出电压误差，改善负载调整率。

所述功率调整管4为高增益、大电流、单管PMOS或者PNP。从式4可以看出，高增益可以降低输出电压误差，改善负载调整率。另外，高增益的功率调整管可以提高电源的瞬态相应速度。使用单管PMOS或者PNP可以降低稳压器压差，提高电源效率。大电流功率调整管可以增强电源带负载能力。

所述反馈环路二6作为运算放大器的负反馈环路补偿环路零极点，提高系统稳定性。

所述电阻反馈网络5中电阻R1、R2对输出电压进行采样，电容C1与R1并联改善环路增益。

所述输入RC网络7对基准电压源2的输出电源进行滤波，降低高端输出噪声。所述输入RC网络7和所述电阻反馈网络5对输出噪声的影响由式5给出，其中G_C为输入RC网络7的传输函数，V_N(ref)为参考源噪声。

$V_{Nout}=(1+\frac{R_1\text{||}\frac{1}{{\mathrm{\ωC}}_1}}{R_2})*V_{N\left(ref\right)}*G_C$ ··············式5

本发明如图2在具体实施过程中需要特别完成以下几个步骤：

步骤1：保证环路稳定性

对于负反馈系统首先应该解决的是环路稳定性。环路稳定性判据由式6、式7给出，两者满足其一，系统即稳定，其中为整个环路相移。为便于工程设计，式6也表述为根据-20dB/Decade闭合速度稳定性规则，即开环增益曲线与0dB的交点切线斜率≥-20dB/Decade。

··············式6

··············式7

在没有引入反馈环路二的情况下，由于功率调整管4的寄生电容较大，而且为了提高电源的瞬态相应能力，需要在输出端增加微法级的电容，这样势必导致反馈环路传输函数β在运算放大器3主极点及其开环增益穿越频率(即开环增益降为1的频率点)之间存在一个或多个极点。所以整个环路开环增益Aol*β曲线在穿越频率处的斜率≤-40dB/Decade。根据-20dB/Decade闭合速度稳定性规则，这样就会导致系统的不稳定。因此，如图2中所示引入反馈环路二，两个并联的反馈环路，相对较小的一路将起决定性作用。反馈环路二引入的低频零点，抵消掉另一路反馈引入的一个或多个极点。图2给出了加入反馈环路二前后的环路增益与相位曲线，从图4(b)中可以看出，不加反馈环路二时，穿越频率约为800kHz，在穿越频率处的斜率达到了60dB/Decade，相移达到了250°。加入反馈环路二以后，如图4(a)所示，补偿掉了功率调整管和负载电容引入的约10kHz和60kHz位置的两个极点。补偿之后的穿越频率约为20MHz，穿越频率处的相移约为130°，有60°的相位裕度，系统稳定性好。

步骤2：优化电源抑制比；具体优化对象包括：带隙基准源、运算放大器以及功率调整管的电源抑制比

带隙基准源的电源抑制比对输出电源抑制比得贡献可表述为式8，其中PSRR_{ref_out}表示带隙基准源电源抑制比对输出的贡献，PSRR_ref表示带隙基准源电源抑制比，G_{c_l}表示表示环路的闭环增益。

PSRR_{ref_out}＝PSRR_ref*G_{c_l}··················式8

带隙基准电压源自身的输入输出电源抑制比由特定IC自身的特性决定一般在低频段抑制较大，高频段抑制较小，呈高通特性。图5给出了从带隙基准源输出端看的闭环环路增益，呈现低通特性。所以闭环特性的第一个拐点的设置需要结合带隙基准电压源的频响特性，在高频段对其进行抵消与补偿，保证基准源的电源抑制比特性，一般可控制在-75dB以上。

运算放大器的电源抑制比与其开环增益和带宽有关，图6给出了通过反馈环路二调节运放带宽得到的不同带宽下从运放电源端看的闭环稳压器抑制比的对比曲线。从曲线可以看出通过减小反馈环路二中的电容，运算放大器带宽逐渐增大，电源抑制比也逐渐增大。对比集成线性稳压芯片的PSRR曲线，本专利的100kHz及以上的指标要好得多，且在较高频率电源抑制比能够继续增加。

功率调整管输入输出的电源抑制比也呈低通特性，传输特性分析可按照闭环传递函数的分析方法，把DC-DC变换器的输出视为闭环输入，功率调整管为前向路径，运算放大器为反馈路径。图7给出了功率调整管输入输出电源抑制比典型特性曲线。100kHz以上的频率相应特性与运算放大器反馈环路二有关。

步骤3：优化噪声

参照图2，稳压器噪声来源有运放的等效输入输出噪声VN(OP)、调整管的噪声VN(调整管)、参考源的噪声VN(REF)以及电阻网络引入的噪声。一般情况下，电阻网络的噪声要比VN(REF)等有源集成电路的噪声小得多，可忽略不计。根据图1得到的稳压器输出噪声公式由式9给出；

·····式9

G_C是基准电压源2输出电阻和电容C₂组成的RC低通传输函数与闭环传输函数的乘积。从式9可以看出C₁、C₂可以有效抑制高频输出噪声。本发明实施例中，为得到更小的噪声，取R₁＝0，R₂＝∞，C₁＝∞。输出噪声由式10给出。

···········式10

图8给出了所选运算放大器和调整管的噪声折算到输出的噪声密度谱，有输入RC网络时从10Hz到10kHz的输出噪声得到了明显改善。一般5V及以上输出的带隙基准电压源的输出噪声在500nV以上，对比图6噪声谱并结合式9、式10可以发现，在选取了低噪运放的情况下，带隙基准源对输出噪声的贡献将占主要地位。输出闭环通带内的噪声密度谱的量级与带隙基准源的密度谱基本相同，远端受到闭环通带抑制。

如图3所示，为本发明实施例提供的一种电子设备结构示意图；该电子设备包括：如上任一所述电源系统。

本发明的技术方案通过DC-DC开关变换器为运算放大器、功率调整管提供电压，为基准电压源供电得到一个基准电压，基准电压通过输入RC网络作为运算放大器的参考电压；电阻反馈网络对输出电压进行采样，将采集到的信号结果反馈到运算放大器，运算放大器将采集到的信号结果与参考电压进行比较的差值通过放大后输入到功率调整管；反馈环路二作为运算放大器的负反馈环路补偿环路零极点。本发明利用环路窄带闭环特性补偿了带隙基准源的高频电源抑制比，利用反馈环路和零极点补偿降低了噪声增益，改善了输出电压噪声。本发明的电路简洁、易于调试，输出电压误差小、精度高、带负载能力强。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种电源系统，其特征在于，包括：DC-DC开关变换器、基准电压源、运算放大器、功率调整管、电阻反馈网络、反馈环路二、输入RC网络；

所述DC-DC开关变换器为所述运算放大器、所述功率调整管提供电压，为所述基准电压源供电得到一个基准电压，所述基准电压通过所述输入RC网络作为所述运算放大器的参考电压；所述电阻反馈网络对输出电压进行采样，将所述采集到的信号结果反馈到所述运算放大器，所述运算放大器将所述采集到的信号结果与所述参考电压进行比较的差值通过放大后输入到所述功率调整管；所述反馈环路二作为所述运算放大器的负反馈环路补偿环路零极点。

2.根据权利要求1所述的电源系统，其特征在于，所述DC-DC开关变换器包括：降压变换器或者升压变换器。

3.根据权利要求2所述的电源系统，其特征在于，所述升压变换器工作采用断续模式。

4.根据权利要求2或3所述的电源系统，其特征在于，所述DC-DC开关变换器开关频率应在500Khz以上。

5.根据权利要求4所述的电源系统，其特征在于，所述基准电压源采用带隙结构。

6.根据权利要求5所述的电源系统，其特征在于，所述运算放大器采用高开环增益、高电源抑制比、低噪声输出的运算放大器。

7.根据权利要求6所述的电源系统，其特征在于，所述功率调整管采用高增益、大电流、单PMOS管或者PNP管。

8.根据权利要求6或7所述的电源系统，其特征在于，所述电阻反馈网络包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1；

所述第一电阻R1与所述第一电容C1并联连接，所述并联连接一端分别与所述运算放大器正向输入端，所述第二电阻R2一端，所述并联连接另一端接所述功率调整管的输出电压端；

所述第二电阻R2另一端接地。

9.根据权利要求8所述的电源系统，其特征在于，所述输入RC网络包括：第三电阻R3、第四电阻R4、第二电容C2；

所述第三电阻R3一端分别接所述第四电阻R4一端、所述第二电容C2一端，所述运算放大器负向输入端；所述第三电阻R3另一端接所述基准电压源一端；

所述第四电阻R4另一端接地；

所述第二电容C2另一端接地。

10.一种电子设备，其特征在于，包括：如权利要求1至9中任意一项所述电源系统。