[ON Semiconductor]Linear & Switching Voltage Regulator Handbook

gmc832002

Linear & Switching Voltage Regulator Handbook
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Application Information



    This handbook describes ON Semiconductor’s voltage regulator products and provides information on applying these products. Basic Linear regulator theory and switching regulator topologies have been included along with practical design examples. Other relevant topics include trade–offs of Linear versus switching regulators, series pass elements for Linear regulators, switching regulator component design considerations, heatsinking, construction and layout, power supply supervision and protection, and reliability.

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gmc832002

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bonyou

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poihero

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semico_ljj

希望多发开关电源的好书和论文！

semico_ljj

看了一下，这本书还可以。现贴出目录
In Brief . . .
In most electronic systems, voltage regulation is required
for various functions. Today’s complex electronic systems are
requiring greater regulating performance, higher efficiency
and lower parts count. Present integrated circuit and power
package technology has produced IC voltage regulators
which can ease the task of regulated power supply design,
provide the performance required and remain cost effective.
Available in a growing variety, ON Semiconductor offers a
wide range of regulator products from fixed and adjustable
voltage types to special–function and switching regulator
control ICs.
This handbook describes ON Semiconductor’s voltage
regulator products and provides information on applying
these products. Basic Linear regulator theory and switching
regulator topologies have been included along with practical
design examples. Other relevant topics include trade–offs of
Linear versus switching regulators, series pass elements for
Linear regulators, switching regulator component design
considerations, heatsinking, construction and layout, power
supply supervision and protection, and reliability.

Page

Basic Linear Regulator Theory 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Selecting a Linear IC Voltage Regulator 15 . . . . . . . . . . .
Linear Regulator Circuit Configuration
and Design Considerations 18 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Series Pass Element Considerations
for Linear Regulators 29 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Linear Regulator Construction and Layout 37 . . . . . . . . .
Linear Regulator Design Example 59 . . . . . . . . . . . . . . . .
Linear Regulator Circuit Troubleshooting
Check List 62 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Designing the Input Supply 63 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
An Introduction to Switching
Power Supplies 69 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Switching Regulator Topologies 74 . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Switching Regulator Component
Design Tips 83 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Basic Switching Power Supply
Configurations 88 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Switching Regulator Design Examples 96 . . . . . . . . . . . .
Power Supply Supervisory and
Protection Considerations 97 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Heatsinking 106 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Section 1. Basic Linear Regulator Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
IC Voltage Regulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Voltage Reference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
The Error Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
The “Regulator within a Regulator” Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Section 2. Selecting a Linear IC Voltage Regulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Selecting the Type of Regulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Positive versus Negative Regulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Three–Terminal, Fixed Output Regulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Three–Terminal, Adjustable Output Regulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Selecting an IC Regulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Section 3. Linear Regulator Circuit Configuration and Design Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Positive, Adjustable Regulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Negative, Adjustable Regulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Positive, Fixed Output Regulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Negative, Fixed Output Regulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
General Design Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Section 4. Series Pass Element Considerations for Linear Regulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Series Pass Element Configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Series Pass Element Specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Current Limiting Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Constant Current Limiting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Foldback Current Limiting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Paralleling Series Pass Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Section 5. Linear Regulator Construction and Layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
General Layout and Component Placement Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Ground Loops and Remote Voltage Sensing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Mounting Considerations for Power Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Insulation Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Fastener and Hardware Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Thermal System Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
Appendix A: Thermal Resistance Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Appendix B: Measurement of Interface Thermal Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Section 6. Linear Regulator Design Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
IC Regulator Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Circuit Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Determination of Component Values . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Determination of Input Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
Selection of Series Pass Element . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
Q1 Heatsink Calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Clamp Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Construction Input Supply Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Section 7. Linear Regulator Circuit Troubleshooting Check List . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Section 8. Designing the Input Supply . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Design of Capacitor–Input Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
Surge Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
Design Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
Design Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
Section 9. An Introduction to Switching Power Supplies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Comparison with Linear Regulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Basic Configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
The Future . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
Section 10. Switching Regulator Topologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
FET and Bipolar Drive Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
Control Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
Overvoltage Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Surge Current Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Transformer Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Filter Capacitor Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Section 11. Switching Regulator Component Design Tips . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
Transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
Zener and Mosorb Transient Suppressors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
Rectifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
Section 12. Basic Switching Power Supply Configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
Flyback and Forward Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
Push–Pull and Bridge Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Half and Full Bridge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
Section 13. Switching Regulator Design Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
Section 14. Power Supply Supervisory and Protection Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
The Crowbar Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
SCR Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
The Sense and Drive Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
MC3425 Power Supply Supervisory Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
MC34064 and MC34164 Series . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
Section 15. Heatsinking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
The Thermal Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
Selecting a Heatsink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Commercial Heatsinks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Custom Heatsink Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
Heatsink Design Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
SOIC Miniature IC Plastic Package . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
Thermal Characteristics of SOIC Packages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
SOP–8 and SOP–16L Packaged Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
Thermal Characteristics of DPAK and D2PAK Packages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114