線(xiàn)性和開(kāi)關(guān)穩壓器

2021-08-12

線(xiàn)性和開(kāi)關(guān)穩壓器

穩壓器是大多數電子硬件產(chǎn)品的重要組成部分。穩壓器的功能是在穩壓器的輸出端提供穩定的電壓，而輸入電壓可以是可變的。

穩壓器（以及電池充電器）大致可分為線(xiàn)性穩壓器或開(kāi)關(guān)穩壓器。由于線(xiàn)性穩壓器更容易理解，我們將從它們開(kāi)始，然后轉向更復雜的開(kāi)關(guān)穩壓器。

線(xiàn)性穩壓器

線(xiàn)性穩壓器可以被認為是可變電阻設備，其內部電阻會(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(guò)放大器反饋回路控制的晶體管提供的。

線(xiàn)性穩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突然負載變化的瞬態(tài)響應。電壓調節器反饋回路的穩定性也需要輸出電容器。

流經(jīng)穩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(xiàn)性穩壓器的效率遠低于開(kāi)關(guān)穩壓器，因此會(huì )浪費更多以熱量形式散發(fā)的功率。

如果器件的功耗超過(guò) 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(chēng)為 Theta-JA）的熱阻。

如果穩壓器規定的 theta-JA 為 50C/W，則意味著(zhù) IC 溫度本身（稱(chēng)為結溫）會(huì )隨著(zhù)每瓦特功率的消耗而升高 50C。

大多數 IC 的額定結溫高達 125C。因此，例如，如果具有 50C/W 的 theta-JA 的穩壓器耗散 1W，那么它可以使用的最高環(huán)境溫度將為 125C – 50C = 75C。

線(xiàn)性穩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(chēng)為壓差電壓。對于普通的線(xiàn)性穩壓器，壓降約為 2 伏。

低壓差 (LDO) 穩壓器可調節至低于 100mV。然而，它們抑制輸入電源上的噪聲和紋波的能力將顯著(zhù)降低到約 500mV 以下。

對于大多數應用，如果輸入電壓不超過(guò)輸出電壓幾伏，則線(xiàn)性穩壓器或更具體地說(shuō)是 LDO 穩壓器更有意義。

否則，穩壓器會(huì )浪費太多功率，而更高效的開(kāi)關(guān)穩壓器是更好的選擇。

線(xiàn)性穩壓器具有三個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)。它們簡(jiǎn)單、便宜，并提供異常“干凈”的電壓輸出。

開(kāi)關(guān)穩壓器

開(kāi)關(guān)穩壓器通過(guò)暫時(shí)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(shù)語(yǔ) DC 到 DC 轉換器、開(kāi)關(guān)模式電源 (SMPS)、開(kāi)關(guān)穩壓器和開(kāi)關(guān)轉換器都是指同一事物。它們通過(guò)控制固態(tài)設備（如晶體管或二極管）來(lái)操作，其作用類(lèi)似于開(kāi)關(guān)。

開(kāi)關(guān)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(lèi)型的開(kāi)關(guān)穩壓器拓撲結構，包括三種最常見(jiàn)的拓撲結構：

降壓（降壓）開(kāi)關(guān)穩壓器

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(lèi)似于線(xiàn)性穩壓器，但降壓穩壓器會(huì )浪費更少的功率。

如果輸入電壓遠高于所需的輸出電壓，降壓穩壓器通常比線(xiàn)性穩壓器更可取。

升壓（升壓）開(kāi)關(guān)穩壓器

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(gè) 3.7VDC 鋰離子電池產(chǎn)生 5VDC 或 12VDC。

降壓/升壓（降壓/升壓）開(kāi)關(guān)穩壓器

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(lèi)型的穩壓器在電池供電的設備中非常有用，其中輸入電壓會(huì )隨著(zhù)時(shí)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(gè)電感最終串聯(lián)，因此可以組合成一個(gè)電感。

穩壓器常用規格匯總

無(wú)論穩壓器是線(xiàn)性穩壓器還是開(kāi)關(guān)模式穩壓器，設計人員都需要對表征穩壓器性能的參數有基本的了解。

輸出電壓：輸出電壓可固定或可調。如果是固定的，則電壓在設備內部設置，您可以購買(mǎi)所需輸出電壓的特定部件號。

如果穩壓器是可調型，電壓通常由兩個(gè)電阻組成的分壓器來(lái)設置。這提供了一些靈活性，但以額外組件為代價(jià)。

輸入電壓：需要嚴格遵守規定的最小和最大輸入電壓。它們在最低電壓以下根本無(wú)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：電壓調節器可以提供的最大電流是有限的，通常由內部功率晶體管的載流能力決定。所有 IC 穩壓器解決方案都包含一個(gè)內置的電流限制電路，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，因為許多類(lèi)型的電路對其輸入電源上的任何噪聲都很敏感。

線(xiàn)性穩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(xiàn)性穩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(kāi)關(guān)穩壓器因其開(kāi)關(guān)特性而產(chǎn)生輸出紋波。開(kāi)關(guān)轉換器的紋波量可以通過(guò)過(guò)濾和仔細選擇組件來(lái)減少。

一種常見(jiàn)的設計技術(shù)是使用開(kāi)關(guān)穩壓器以最小功耗降低電源電壓，然后使用線(xiàn)性穩壓器去除任何紋波。

許多低噪聲、高 PSRR 線(xiàn)性穩壓器具有一個(gè)額外的引腳，通常稱(chēng)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波動(dòng)，而紋波將顯示為小的周期性波形。  

雖然與紋波無(wú)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。

負載調節：負載調節是指調節器在負載電流變化時(shí)保持輸出電壓穩定的能力。該規格通常在器件數據表中作為輸出電壓與負載電流的關(guān)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，當穩壓器電路嘗試恢復并提供穩定的輸出電壓時(shí)，輸出電壓會(huì )出現小的過(guò)沖或下沖。

線(xiàn)路調節：穩壓器輸入電壓的變化會(huì )導致輸出電壓的變化，而線(xiàn)路調節是這種變化的衡量標準。

線(xiàn)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，當穩壓器的反饋環(huán)路對突然變化做出響應時(shí)，輸出電壓會(huì )出現小的過(guò)沖或下沖。具有高 PSRR 規格（即低輸出紋波）的穩壓器通常具有最佳的線(xiàn)路瞬態(tài)性能。

壓降：  LM317 或 LM78xx 系列等經(jīng)典線(xiàn)性穩壓器的壓降約為 2 伏。這意味著(zhù)輸入電壓必須至少比輸出電壓高 2 伏，穩壓器才能工作。

低壓差 (LDO) 穩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：效率是衡量調節器浪費了多少功率的指標。如前所述，線(xiàn)性穩壓器比開(kāi)關(guān)穩壓器浪費更多的功率。這意味著(zhù)線(xiàn)性穩壓器的效率要低得多?？梢酝ㄟ^(guò)將輸出功率除以輸入功率來(lái)計算效率。

因此，如果輸出功率與輸入功率相同，則效率為 100%，穩壓器不會(huì )浪費任何功率。這是理想但無(wú)法實(shí)現的場(chǎng)景。大多數開(kāi)關(guān)穩壓器的效率在 80-90% 之間。

線(xiàn)性穩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(xiàn)性穩壓器，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(zhù)輸入電壓和輸出電壓之間的差異越大，線(xiàn)性穩壓器的效率就越差。

例如，對于具有 5VDC 輸入電壓和 3.3VDC 輸出電壓的線(xiàn)性穩壓器，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(zhù) 72.5% 的功率被線(xiàn)性穩壓器浪費了！

低壓差穩壓器的主要優(yōu)點(diǎn)是它們允許輸出電壓非常接近輸入電壓，這意味著(zhù)穩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%，與高效降壓穩壓器相當。

與線(xiàn)性穩壓器不同，理想的開(kāi)關(guān)穩壓器的效率為 100%，這意味著(zhù)輸入功率等于輸出功率。這意味著(zhù)輸入電流永遠不會(huì )與輸出電流相同。

事實(shí)上，降壓穩壓器的輸入電流總是小于輸出電流，而升壓穩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(xiàn)性穩壓器和開(kāi)關(guān)穩壓器都至關(guān)重要，因此請務(wù)必遵循數據表中的建議。在大多數情況下，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(chēng)為等效串聯(lián)電阻或 ESR），通?？梢愿纳品€壓器的瞬態(tài)響應。不過(guò)要小心，因為一些穩壓器需要使用具有更高 ESR 的鉭電容器以穩定反饋控制回路。

電磁干擾 (EMI)

使用開(kāi)關(guān)模式電源進(jìn)行設計時(shí)的一個(gè)問(wèn)題是潛在的電磁干擾 (EMI)。

有源器件的開(kāi)關(guān)動(dòng)作可以在數百千赫茲到幾兆赫茲的頻率范圍內產(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(kāi)關(guān)穩壓器的 PCB 布局非常重要，比線(xiàn)性穩壓器重要得多。所以一定要嚴格遵循數據表中的布局指南。  

如果您選擇的開(kāi)關(guān)穩壓器的數據表中沒(méi)有提供布局指南，那么我強烈建議您選擇不同的穩壓器。

結論

當功率效率不是問(wèn)題時(shí)，或者當輸入電壓僅略高于輸出電壓時(shí)，最佳選擇通常是線(xiàn)性穩壓器。線(xiàn)性穩壓器通常更便宜、更簡(jiǎn)單，并且需要的組件更少。  

如果需要真正干凈、無(wú)紋波的輸出電壓，那么線(xiàn)性穩壓器也是最佳選擇。

另一方面，如果功率效率是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，或者輸入電壓遠高于所需的輸出電壓，那么降壓開(kāi)關(guān)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——只有升壓穩壓器可以執行該技巧。

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(shí)候最好的解決方案是一個(gè)開(kāi)關(guān)穩壓器，然后是一個(gè)線(xiàn)性穩壓器。通過(guò)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。