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線性和開關(guān)穩(wěn)壓器
線性和開關(guān)穩(wěn)壓器
穩(wěn)壓器是大多數(shù)電子硬件產(chǎn)品的重要組成部分。穩(wěn)壓器的功能是在穩(wěn)壓器的輸出端提供穩(wěn)定的電壓，而輸入電壓可以是可變的。
穩(wěn)壓器（以及電池充電器）大致可分為線性穩(wěn)壓器或開關(guān)穩(wěn)壓器。由于線性穩(wěn)壓器更容易理解，我們將從它們開始，然后轉(zhuǎn)向更復(fù)雜的開關(guān)穩(wěn)壓器。
線性穩(wěn)壓器
線性穩(wěn)壓器可以被認(rèn)為是可變電阻設(shè)備，其內(nèi)部電阻會(huì)發(fā)生變化以保持恒定的輸出電壓。實(shí)際上，可變電阻是通過放大器反饋回路控制的晶體管提供的。
線性穩(wěn)壓器通常至少由三個(gè)引腳組成——一個(gè)輸入輸入、一個(gè)輸出引腳和一個(gè)接地引腳。
外部電容器放置在輸入和輸出端子上以提供濾波并改善對(duì)突然負(fù)載變化的瞬態(tài)響應(yīng)。電壓調(diào)節(jié)器反饋回路的穩(wěn)定性也需要輸出電容器。
流經(jīng)穩(wěn)壓器的電流量以及器件中耗散的功率量將影響器件封裝選擇和散熱器要求。
線性穩(wěn)壓器的效率遠(yuǎn)低于開關(guān)穩(wěn)壓器，因此會(huì)浪費(fèi)更多以熱量形式散發(fā)的功率。
如果器件的功耗超過 100 mW，建議進(jìn)行更徹底的熱分析，考慮最大工作溫度和 IC 封裝（稱為 Theta-JA）的熱阻。
如果穩(wěn)壓器規(guī)定的 theta-JA 為 50C/W，則意味著 IC 溫度本身（稱為結(jié)溫）會(huì)隨著每瓦特功率的消耗而升高 50C。
大多數(shù) IC 的額定結(jié)溫高達(dá) 125C。因此，例如，如果具有 50C/W 的 theta-JA 的穩(wěn)壓器耗散 1W，那么它可以使用的最高環(huán)境溫度將為 125C – 50C = 75C。
線性穩(wěn)壓器要求輸入電壓高于輸出電壓。輸入和輸出之間的最小電壓電平差稱為壓差電壓。對(duì)于普通的線性穩(wěn)壓器，壓降約為 2 伏。
低壓差 (LDO) 穩(wěn)壓器可調(diào)節(jié)至低于 100mV。然而，它們抑制輸入電源上的噪聲和紋波的能力將顯著降低到約 500mV 以下。
對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，如果輸入電壓不超過輸出電壓幾伏，則線性穩(wěn)壓器或更具體地說是 LDO 穩(wěn)壓器更有意義。
否則，穩(wěn)壓器會(huì)浪費(fèi)太多功率，而更高效的開關(guān)穩(wěn)壓器是更好的選擇。
線性穩(wěn)壓器具有三個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)。它們簡單、便宜，并提供異常“干凈”的電壓輸出。
開關(guān)穩(wěn)壓器通過暫時(shí)儲(chǔ)存能量然后將儲(chǔ)存的能量以不同的電壓釋放到輸出，將一種電壓轉(zhuǎn)換為另一種電壓。
術(shù)語 DC 到 DC 轉(zhuǎn)換器、開關(guān)模式電源 (SMPS)、開關(guān)穩(wěn)壓器和開關(guān)轉(zhuǎn)換器都是指同一事物。它們通過控制固態(tài)設(shè)備（如晶體管或二極管）來操作，其作用類似于開關(guān)。
開關(guān)中斷流向能量存儲(chǔ)組件（例如電容器或電感器）的電流，以便將一種電壓轉(zhuǎn)換為另一種電壓。
有多種類型的開關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括三種最常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：
降壓轉(zhuǎn)換器可以將輸入上的較高電壓降壓到輸出上的較低電壓。這類似于線性穩(wěn)壓器，但降壓穩(wěn)壓器會(huì)浪費(fèi)更少的功率。
如果輸入電壓遠(yuǎn)高于所需的輸出電壓，降壓穩(wěn)壓器通常比線性穩(wěn)壓器更可取。
升壓（升壓）開關(guān)穩(wěn)壓器
升壓轉(zhuǎn)換器能夠在輸出端產(chǎn)生比輸入端更高的電壓。例如，升壓轉(zhuǎn)換器可用于從單個(gè) 3.7VDC 鋰離子電池產(chǎn)生 5VDC 或 12VDC。
降壓/升壓（降壓/升壓）開關(guān)穩(wěn)壓器
正如您可能已經(jīng)猜到的那樣，降壓/升壓轉(zhuǎn)換器能夠從可以在輸出電壓上下變化的輸入電壓中提供固定的輸出電壓。
這種類型的穩(wěn)壓器在電池供電的設(shè)備中非常有用，其中輸入電壓會(huì)隨著時(shí)間的推移而降低。
最基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只是上面的降壓轉(zhuǎn)換器電路，然后是升壓轉(zhuǎn)換器電路。兩個(gè)電感最終串聯(lián)，因此可以組合成一個(gè)電感。
穩(wěn)壓器常用規(guī)格匯總
無論穩(wěn)壓器是線性穩(wěn)壓器還是開關(guān)模式穩(wěn)壓器，設(shè)計(jì)人員都需要對(duì)表征穩(wěn)壓器性能的參數(shù)有基本的了解。
輸出電壓：輸出電壓可固定或可調(diào)。如果是固定的，則電壓在設(shè)備內(nèi)部設(shè)置，您可以購買所需輸出電壓的特定部件號(hào)。
如果穩(wěn)壓器是可調(diào)型，電壓通常由兩個(gè)電阻組成的分壓器來設(shè)置。這提供了一些靈活性，但以額外組件為代價(jià)。
輸入電壓：需要嚴(yán)格遵守規(guī)定的最小和最大輸入電壓。它們?cè)谧畹碗妷阂韵赂緹o法工作，如果在最高電壓以上工作，它們就會(huì)損壞。
電流輸出：電壓調(diào)節(jié)器可以提供的最大電流是有限的，通常由內(nèi)部功率晶體管的載流能力決定。所有 IC 穩(wěn)壓器解決方案都包含一個(gè)內(nèi)置的電流限制電路，以防止損壞。
輸出紋波或電源抑制比 (PSRR)：輸出紋波是指輸出電壓的微小變化?？紤]輸出電壓中的紋波量非常重要，因?yàn)樵S多類型的電路對(duì)其輸入電源上的任何噪聲都很敏感。
線性穩(wěn)壓器抑制輸入紋波而不增加額外的紋波。它們抑制紋波的能力由電源抑制比 (PSRR) 指定。PSRR 越高，線性穩(wěn)壓器在抑制輸入電壓上的任何紋波方面就越好。
另一方面，開關(guān)穩(wěn)壓器因其開關(guān)特性而產(chǎn)生輸出紋波。開關(guān)轉(zhuǎn)換器的紋波量可以通過過濾和仔細(xì)選擇組件來減少。
一種常見的設(shè)計(jì)技術(shù)是使用開關(guān)穩(wěn)壓器以最小功耗降低電源電壓，然后使用線性穩(wěn)壓器去除任何紋波。
許多低噪聲、高 PSRR 線性穩(wěn)壓器具有一個(gè)額外的引腳，通常稱為 NR 引腳或降噪引腳。在此引腳上放置一個(gè)大約 10nF 的電容器接地有助于濾除內(nèi)部參考電壓上的噪聲和紋波，從而濾除輸出電壓。
噪聲：許多電子元件，例如電阻器和晶體管，也會(huì)產(chǎn)生基本的物理噪聲，通常與紋波混淆。噪聲將顯示為輸出電壓的隨機(jī)波動(dòng)，而紋波將顯示為小的周期性波形。
雖然與紋波無關(guān)，但降低輸出紋波的相同技術(shù)通常也會(huì)降低噪聲——主要是使用降噪電容器。
負(fù)載調(diào)節(jié)：負(fù)載調(diào)節(jié)是指調(diào)節(jié)器在負(fù)載電流變化時(shí)保持輸出電壓穩(wěn)定的能力。該規(guī)格通常在器件數(shù)據(jù)表中作為輸出電壓與負(fù)載電流的關(guān)系圖提供。
負(fù)載瞬態(tài)：這是輸出電壓如何響應(yīng)負(fù)載電流的突然階躍變化的量度。通常，當(dāng)穩(wěn)壓器電路嘗試恢復(fù)并提供穩(wěn)定的輸出電壓時(shí)，輸出電壓會(huì)出現(xiàn)小的過沖或下沖。
線路調(diào)節(jié)：穩(wěn)壓器輸入電壓的變化會(huì)導(dǎo)致輸出電壓的變化，而線路調(diào)節(jié)是這種變化的衡量標(biāo)準(zhǔn)。
線路瞬態(tài)：這是輸出電壓如何響應(yīng)輸入電壓的突然階躍變化的量度。與負(fù)載瞬變一樣，當(dāng)穩(wěn)壓器的反饋環(huán)路對(duì)突然變化做出響應(yīng)時(shí)，輸出電壓會(huì)出現(xiàn)小的過沖或下沖。具有高 PSRR 規(guī)格（即低輸出紋波）的穩(wěn)壓器通常具有最佳的線路瞬態(tài)性能。
壓降： LM317 或 LM78xx 系列等經(jīng)典線性穩(wěn)壓器的壓降約為 2 伏。這意味著輸入電壓必須至少比輸出電壓高 2 伏，穩(wěn)壓器才能工作。
低壓差 (LDO) 穩(wěn)壓器可以在輸入到輸出電壓差小得多的情況下工作。例如，TPS732 系列低壓差穩(wěn)壓器的電壓輸入范圍為 1.7 至 5.5 伏，250 mA 時(shí)的壓差為 40mV。
效率：效率是衡量調(diào)節(jié)器浪費(fèi)了多少功率的指標(biāo)。如前所述，線性穩(wěn)壓器比開關(guān)穩(wěn)壓器浪費(fèi)更多的功率。這意味著線性穩(wěn)壓器的效率要低得多。可以通過將輸出功率除以輸入功率來計(jì)算效率。
因此，如果輸出功率與輸入功率相同，則效率為 100%，穩(wěn)壓器不會(huì)浪費(fèi)任何功率。這是理想但無法實(shí)現(xiàn)的場(chǎng)景。大多數(shù)開關(guān)穩(wěn)壓器的效率在 80-90% 之間。
線性穩(wěn)壓器的效率隨輸入電壓與輸出電壓的比率而變化。這是因?yàn)閷?duì)于線性穩(wěn)壓器，輸入電流始終與輸出電流基本相同。
由于功率等于電壓乘以電流，效率方程中的電流抵消了只留下電壓。這意味著輸入電壓和輸出電壓之間的差異越大，線性穩(wěn)壓器的效率就越差。
例如，對(duì)于具有 5VDC 輸入電壓和 3.3VDC 輸出電壓的線性穩(wěn)壓器，效率為：
效率 = 3.3VDC / 5VDC = 66%
但是如果輸入電壓增加到 12VDC，效率會(huì)下降到
效率 = 3.3VDC / 12VDC = 27.5%
這意味著 72.5% 的功率被線性穩(wěn)壓器浪費(fèi)了！
低壓差穩(wěn)壓器的主要優(yōu)點(diǎn)是它們?cè)试S輸出電壓非常接近輸入電壓，這意味著穩(wěn)壓器的效率要高得多。
例如，如果從 3.7VDC 鋰離子電池產(chǎn)生 3.3VDC 輸出電壓，則需要壓降小于 400mV 的 LDO。在這些電壓下，效率為 3.3VDC / 3.7VDC = 89%，與高效降壓穩(wěn)壓器相當(dāng)。
與線性穩(wěn)壓器不同，理想的開關(guān)穩(wěn)壓器的效率為 100%，這意味著輸入功率等于輸出功率。這意味著輸入電流永遠(yuǎn)不會(huì)與輸出電流相同。
事實(shí)上，降壓穩(wěn)壓器的輸入電流總是小于輸出電流，而升壓穩(wěn)壓器的輸入電流總是高于輸出電流。
輸出電容器：輸出電容器的大小對(duì)于線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器都至關(guān)重要，因此請(qǐng)務(wù)必遵循數(shù)據(jù)表中的建議。在大多數(shù)情況下，陶瓷電容器（具有 X7R 或 X5R 熱額定值）是最佳選擇。
陶瓷電容器具有非常低的寄生電阻（稱為等效串聯(lián)電阻或 ESR），通?？梢愿纳品€(wěn)壓器的瞬態(tài)響應(yīng)。不過要小心，因?yàn)橐恍┓€(wěn)壓器需要使用具有更高 ESR 的鉭電容器以穩(wěn)定反饋控制回路。
電磁干擾 (EMI)
使用開關(guān)模式電源進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)的一個(gè)問題是潛在的電磁干擾 (EMI)。
有源器件的開關(guān)動(dòng)作可以在數(shù)百千赫茲到幾兆赫茲的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生廣泛的輻射。這些發(fā)射可以傳導(dǎo)和輻射到附近的設(shè)備，造成有害干擾甚至自干擾。
請(qǐng)注意，開關(guān)穩(wěn)壓器的 PCB 布局非常重要，比線性穩(wěn)壓器重要得多。所以一定要嚴(yán)格遵循數(shù)據(jù)表中的布局指南。
如果您選擇的開關(guān)穩(wěn)壓器的數(shù)據(jù)表中沒有提供布局指南，那么我強(qiáng)烈建議您選擇不同的穩(wěn)壓器。
結(jié)論
當(dāng)功率效率不是問題時(shí)，或者當(dāng)輸入電壓僅略高于輸出電壓時(shí)，最佳選擇通常是線性穩(wěn)壓器。線性穩(wěn)壓器通常更便宜、更簡單，并且需要的組件更少。
如果需要真正干凈、無紋波的輸出電壓，那么線性穩(wěn)壓器也是最佳選擇。
另一方面，如果功率效率是一個(gè)關(guān)鍵問題，或者輸入電壓遠(yuǎn)高于所需的輸出電壓，那么降壓開關(guān)轉(zhuǎn)換器是更好的選擇。
如果需要高于輸入電壓的輸出電壓，那么選擇很容易——只有升壓穩(wěn)壓器可以執(zhí)行該技巧。
與工程的所有方面一樣，各種解決方案之間總是存在權(quán)衡。很多時(shí)候最好的解決方案是一個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器，然后是一個(gè)線性穩(wěn)壓器。通過這種方式，您可以獲得兩全其美：效率和超級(jí)干凈的輸出電壓。