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技術(shù)專題
穩(wěn)壓器電路類型
每個(gè)新的電子設(shè)備都需要某種程度的功率調(diào)節(jié)。無(wú)論新產(chǎn)品是依靠電池，外部電源還是交流電源運(yùn)行，都需要為新系統(tǒng)設(shè)計(jì)一種調(diào)節(jié)策略。這可能涉及多個(gè)功率調(diào)節(jié)電路，通常帶有反饋以提供高效功率轉(zhuǎn)換。您可能需要各種支持組件和功能，以幫助您調(diào)節(jié)功率輸出，尤其是在系統(tǒng)以高功率運(yùn)行時(shí)。
從用于CPU和GPU的VRM到簡(jiǎn)單的線性DC穩(wěn)壓器的所有內(nèi)容都需要在布局之前進(jìn)行一定程度的評(píng)估。在創(chuàng)建布局之前，應(yīng)對(duì)穩(wěn)壓器電路執(zhí)行一些基本仿真。這是在穩(wěn)壓器電路仿真步驟中要注意的內(nèi)容，以及如何發(fā)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)問題。
穩(wěn)壓器電路拓?fù)鋵⒋_定設(shè)備的功能并定義組件在系統(tǒng)中的放置位置。每種類型的穩(wěn)壓器電路類型和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都有不同的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。在開始模擬穩(wěn)壓器電路之前，您需要確定所需的穩(wěn)壓器類型，拓?fù)湟约氨３指咿D(zhuǎn)換效率的穩(wěn)定電源所需的任何其他功能。
穩(wěn)壓器類型
在電子系統(tǒng)中可以找到兩種基本類型的穩(wěn)壓器：
線性穩(wěn)壓器。這些調(diào)節(jié)器使用線性電阻元件（例如電位計(jì)）或以線性方式工作的非線性元件（例如MOSFET）來(lái)提供穩(wěn)定的電壓輸出。線性穩(wěn)壓器的常見類型是串聯(lián)，并聯(lián)和低壓降（LDO）。這些調(diào)節(jié)器的效率可能在60％至80％之間。
開關(guān)穩(wěn)壓器。這些穩(wěn)壓器使用帶有放電電抗元件的開關(guān)FET，以根據(jù)特定應(yīng)用的需要對(duì)輸出電壓進(jìn)行升壓（升壓轉(zhuǎn)換器）或降壓（降壓轉(zhuǎn)換器）。這些穩(wěn)壓器提供高效的DC-DC電源轉(zhuǎn)換，效率輕松超過90％。用于GPU或CPU的VRM是開關(guān)調(diào)節(jié)器的一種常見類型。
盡管這些不同類型的穩(wěn)壓器電路設(shè)計(jì)提供不同的效率并需要不同的組件，但它們可以一起用于多級(jí)穩(wěn)壓器策略中。與單獨(dú)使用線性穩(wěn)壓器電路時(shí)相比，這種類型的布置可以提供更高的效率電源轉(zhuǎn)換，并且允許設(shè)計(jì)人員為以不同電壓運(yùn)行的多個(gè)電路塊提供電源。
線性穩(wěn)壓器與開關(guān)穩(wěn)壓器
線性穩(wěn)壓器最簡(jiǎn)單的類型是并聯(lián)穩(wěn)壓器。該穩(wěn)壓器電路使用齊納二極管在負(fù)載的低端和輸出的高端之間提供反饋，從而提供穩(wěn)定的功率輸出。盡管在穩(wěn)壓器的高端使用了雙極型晶體管或MOSFET來(lái)提供穩(wěn)定的輸出，但是串聯(lián)穩(wěn)壓器是這種情況的變體。晶體管的基極/柵極在反饋環(huán)路中連接至齊納二極管，然后將基極/柵極電流調(diào)制為穩(wěn)定值。
三種常見的線性電壓電路圖：（左）并聯(lián)，（中心）系列和（右）LDO
開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)具有降壓，升壓或降壓-升壓拓?fù)?。這些電路的共同主題是使用開關(guān)晶體管將輸出電壓和電流調(diào)節(jié)到特定水平。這需要為晶體管提供PWM信號(hào)以調(diào)制輸出電流。
開關(guān)穩(wěn)壓器和復(fù)雜的線性穩(wěn)壓器通常將反饋回路作為調(diào)節(jié)策略的一部分。對(duì)于LDO，反饋環(huán)路由一個(gè)硅帶隙基準(zhǔn)電壓源和一個(gè)運(yùn)算放大器（在LDO電路圖中稱為誤差放大器）組成。對(duì)于開關(guān)穩(wěn)壓器，反饋環(huán)路和控制策略可以像控制PWM信號(hào)的ADC和MCU一樣簡(jiǎn)單，或者針對(duì)更高功率應(yīng)用的可編程感應(yīng)放大器一樣簡(jiǎn)單。
在穩(wěn)壓器電路中，反饋不僅僅提供增益以達(dá)到所需的輸出功率。如果輸出電壓和電流開始偏離期望值，則還應(yīng)控制調(diào)節(jié)器。大功率開關(guān)穩(wěn)壓器的常見策略是使用感測(cè)放大器和ADC來(lái)量化輸出電壓。然后，可以將其與已編程的MCU配合使用，以調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比，從而調(diào)制開關(guān)FET。
在模擬中，除非您使用有源組件，否則通常不需要直接檢查反饋回路中發(fā)生的情況。此處的關(guān)鍵是檢查通過反饋回路的電壓/電流是否不超過組件規(guī)格。電流檢測(cè)放大器（在開關(guān)穩(wěn)壓器中）或誤差放大器（在LDO中）之類的組件將具有絕對(duì)最大額定值，無(wú)法超過。您應(yīng)該將這些額定值與反饋環(huán)路中的仿真電壓/電流進(jìn)行比較，并在設(shè)計(jì)中應(yīng)用適當(dāng)?shù)陌踩６取?/span>
進(jìn)行這些比較就像使用直流掃描一樣簡(jiǎn)單，并檢查輸入電壓何時(shí)在穩(wěn)壓器電路的組件上施加了不可接受的負(fù)載。如果沒有達(dá)到您要使用的最大DC電壓的絕對(duì)最大值，則您選擇的組件在運(yùn)行期間可能很安全。
對(duì)于將要使用交流電源運(yùn)行的更復(fù)雜的功率傳輸和調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可能需要功率因數(shù)校正（PFC）電路，尤其是在使用開關(guān)調(diào)節(jié)器時(shí)。該附加電路放置在整流器之后，以平滑來(lái)自輸入的升壓交流電。如果流入開關(guān)調(diào)節(jié)器級(jí)的電流具有不可接受的高總諧波失真（THD），則根據(jù)IEC 61000-3標(biāo)準(zhǔn)，您需要在輸入上使用PFC電路。