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線性和開關穩(wěn)壓器
線性和開關穩(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，然后轉向更復雜的開關穩(wěn)壓器。
線性穩(wěn)壓器
線性穩(wěn)壓器可以被認為是可變電阻設備，其內(nèi)部電阻會發(fā)生變化以保持恒定的輸出電壓。實際上，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引腳組成——一個輸入輸入、一個輸出引腳和一個接地引腳。
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突然負載變化的瞬態(tài)響應。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)壓器的效率遠低于開關穩(wěn)壓器，因此會浪費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（稱為結溫）會隨著每瓦特功率的消耗而升高 50C。
大多數(shù) IC 的額定結溫高達 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。
對于大多數(shù)應用，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)壓器會浪費太多功率，而更高效的開關穩(wěn)壓器是更好的選擇。
線性穩(wěn)壓器具有三個主要優(yōu)點。它們簡單、便宜，并提供異常“干凈”的電壓輸出。
開關穩(wěn)壓器通過暫時儲存能量然后將儲存的能量以不同的電壓釋放到輸出，將一種電壓轉換為另一種電壓。
術語 DC 到 DC 轉換器、開關模式電源 (SMPS)、開關穩(wěn)壓器和開關轉換器都是指同一事物。它們通過控制固態(tài)設備（如晶體管或二極管）來操作，其作用類似于開關。
開關中斷流向能量存儲組件（例如電容器或電感器）的電流，以便將一種電壓轉換為另一種電壓。
有多種類型的開關穩(wěn)壓器拓撲結構，包括三種最常見的拓撲結構：
降壓轉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)壓器會浪費更少的功率。
如果輸入電壓遠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）開關穩(wěn)壓器
升壓轉換器能夠在輸出端產(chǎn)生比輸入端更高的電壓。例如，升壓轉換器可用于從單個 3.7VDC 鋰離子電池產(chǎn)生 5VDC 或 12VDC。
降壓/升壓（降壓/升壓）開關穩(wěn)壓器
正如您可能已經(jīng)猜到的那樣，降壓/升壓轉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備中非常有用，其中輸入電壓會隨著時間的推移而降低。
最基本的拓撲結構只是上面的降壓轉換器電路，然后是升壓轉換器電路。兩個電感最終串聯(lián)，因此可以組合成一個電感。
穩(wěn)壓器常用規(guī)格匯總
無論穩(wěn)壓器是線性穩(wěn)壓器還是開關模式穩(wěn)壓器，設計人員都需要對表征穩(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，則電壓在設備內(nèi)部設置，您可以購買所需輸出電壓的特定部件號。
如果穩(wěn)壓器是可調(diào)型，電壓通常由兩個電阻組成的分壓器來設置。這提供了一些靈活性，但以額外組件為代價。
輸入電壓：需要嚴格遵守規(guī)定的最小和最大輸入電壓。它們在最低電壓以下根本無法工作，如果在最高電壓以上工作，它們就會損壞。
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。考慮輸出電壓中的紋波量非常重要，因為許多類型的電路對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，開關穩(wěn)壓器因其開關特性而產(chǎn)生輸出紋波。開關轉換器的紋波量可以通過過濾和仔細選擇組件來減少。
一種常見的設計技術是使用開關穩(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波動，而紋波將顯示為小的周期性波形。
雖然與紋波無關，但降低輸出紋波的相同技術通常也會降低噪聲——主要是使用降噪電容器。
負載調(diào)節(jié)：負載調(diào)節(jié)是指調(diào)節(jié)器在負載電流變化時保持輸出電壓穩(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載電流的關系圖提供。
負載瞬態(tài)：這是輸出電壓如何響應負載電流的突然階躍變化的量度。通常，當穩(wěn)壓器電路嘗試恢復并提供穩(wěn)定的輸出電壓時，輸出電壓會出現(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導致輸出電壓的變化，而線路調(diào)節(jié)是這種變化的衡量標準。
線路瞬態(tài)：這是輸出電壓如何響應輸入電壓的突然階躍變化的量度。與負載瞬變一樣，當穩(wěn)壓器的反饋環(huán)路對突然變化做出響應時，輸出電壓會出現(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 時的壓差為 40mV。
效率：效率是衡量調(diào)節(jié)器浪費了多少功率的指標。如前所述，線性穩(wěn)壓器比開關穩(wěn)壓器浪費更多的功率。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)壓器不會浪費任何功率。這是理想但無法實現(xiàn)的場景。大多數(shù)開關穩(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。這是因為對于線性穩(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)壓器浪費了！
低壓差穩(wěn)壓器的主要優(yōu)點是它們允許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。
與線性穩(wěn)壓器不同，理想的開關穩(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不會與輸出電流相同。
事實上，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于線性穩(wěn)壓器和開關穩(wěn)壓器都至關重要，因此請務必遵循數(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），通常可以改善穩(wěn)壓器的瞬態(tài)響應。不過要小心，因為一些穩(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)
使用開關模式電源進行設計時的一個問題是潛在的電磁干擾 (EMI)。
有源器件的開關動作可以在數(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)射可以傳導和輻射到附近的設備，造成有害干擾甚至自干擾。
請注意，開關穩(wěn)壓器的 PCB 布局非常重要，比線性穩(wěn)壓器重要得多。所以一定要嚴格遵循數(shù)據(jù)表中的布局指南。
如果您選擇的開關穩(wěn)壓器的數(shù)據(jù)表中沒有提供布局指南，那么我強烈建議您選擇不同的穩(wěn)壓器。
結論
當功率效率不是問題時，或者當輸入電壓僅略高于輸出電壓時，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關鍵問題，或者輸入電壓遠高于所需的輸出電壓，那么降壓開關轉換器是更好的選擇。
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衡。很多時候最好的解決方案是一個開關穩(wěn)壓器，然后是一個線性穩(wěn)壓器。通過這種方式，您可以獲得兩全其美：效率和超級干凈的輸出電壓。