線(xiàn)性和开关稳压器

2021-08-12

線(xiàn)性和开关稳压器

稳压器是大多(duō)数電(diàn)子硬件产品的重要组成部分(fēn)。稳压器的功能(néng)是在稳压器的输出端提供稳定的電(diàn)压，而输入電(diàn)压可(kě)以是可(kě)变的。

稳压器（以及電(diàn)池充電(diàn)器）大致可(kě)分(fēn)為(wèi)線(xiàn)性稳压器或开关稳压器。由于線(xiàn)性稳压器更容易理(lǐ)解，我们将从它们开始，然后转向更复杂的开关稳压器。

線(xiàn)性稳压器

線(xiàn)性稳压器可(kě)以被认為(wèi)是可(kě)变電(diàn)阻设备，其内部電(diàn)阻会发生变化以保持恒定的输出電(diàn)压。实际上，可(kě)变電(diàn)阻是通过放大器反馈回路控制的晶體(tǐ)管提供的。

線(xiàn)性稳压器通常至少由三个引脚组成——一个输入输入、一个输出引脚和一个接地引脚。

外部電(diàn)容器放置在输入和输出端子上以提供滤波并改善对突然负载变化的瞬态响应。電(diàn)压调节器反馈回路的稳定性也需要输出電(diàn)容器。

流经稳压器的電(diàn)流量以及器件中耗散的功率量将影响器件封装选择和散热器要求。

線(xiàn)性稳压器的效率遠(yuǎn)低于开关稳压器，因此会浪费更多(duō)以热量形式散发的功率。

如果器件的功耗超过 100 mW，建议进行更彻底的热分(fēn)析，考虑最大工作温度和 IC 封装（称為(wèi) Theta-JA）的热阻。

如果稳压器规定的 theta-JA 為(wèi) 50C/W，则意味着 IC 温度本身（称為(wèi)结温）会随着每瓦特功率的消耗而升高 50C。

大多(duō)数 IC 的额定结温高达 125C。因此，例如，如果具有(yǒu) 50C/W 的 theta-JA 的稳压器耗散 1W，那么它可(kě)以使用(yòng)的最高环境温度将為(wèi) 125C – 50C = 75C。

線(xiàn)性稳压器要求输入電(diàn)压高于输出電(diàn)压。输入和输出之间的最小(xiǎo)電(diàn)压電(diàn)平差称為(wèi)压差電(diàn)压。对于普通的線(xiàn)性稳压器，压降约為(wèi) 2 伏。

低压差 (LDO) 稳压器可(kě)调节至低于 100mV。然而，它们抑制输入電(diàn)源上的噪声和纹波的能(néng)力将显着降低到约 500mV 以下。

对于大多(duō)数应用(yòng)，如果输入電(diàn)压不超过输出電(diàn)压几伏，则線(xiàn)性稳压器或更具體(tǐ)地说是 LDO 稳压器更有(yǒu)意义。

否则，稳压器会浪费太多(duō)功率，而更高效的开关稳压器是更好的选择。

線(xiàn)性稳压器具有(yǒu)三个主要优点。它们简单、便宜，并提供异常“干净”的電(diàn)压输出。

开关稳压器

开关稳压器通过暂时储存能(néng)量然后将储存的能(néng)量以不同的電(diàn)压释放到输出，将一种電(diàn)压转换為(wèi)另一种電(diàn)压。

术语 DC 到 DC 转换器、开关模式電(diàn)源 (SMPS)、开关稳压器和开关转换器都是指同一事物(wù)。它们通过控制固态设备（如晶體(tǐ)管或二极管）来操作，其作用(yòng)类似于开关。

开关中断流向能(néng)量存储组件（例如電(diàn)容器或電(diàn)感器）的電(diàn)流，以便将一种電(diàn)压转换為(wèi)另一种電(diàn)压。

有(yǒu)多(duō)种类型的开关稳压器拓扑结构，包括三种最常见的拓扑结构：

降压（降压）开关稳压器

降压转换器可(kě)以将输入上的较高電(diàn)压降压到输出上的较低電(diàn)压。这类似于線(xiàn)性稳压器，但降压稳压器会浪费更少的功率。

如果输入電(diàn)压遠(yuǎn)高于所需的输出電(diàn)压，降压稳压器通常比線(xiàn)性稳压器更可(kě)取。

升压（升压）开关稳压器

升压转换器能(néng)够在输出端产生比输入端更高的電(diàn)压。例如，升压转换器可(kě)用(yòng)于从单个 3.7VDC 锂离子電(diàn)池产生 5VDC 或 12VDC。

降压/升压（降压/升压）开关稳压器

正如您可(kě)能(néng)已经猜到的那样，降压/升压转换器能(néng)够从可(kě)以在输出電(diàn)压上下变化的输入電(diàn)压中提供固定的输出電(diàn)压。

这种类型的稳压器在電(diàn)池供電(diàn)的设备中非常有(yǒu)用(yòng)，其中输入電(diàn)压会随着时间的推移而降低。

最基本的拓扑结构只是上面的降压转换器電(diàn)路，然后是升压转换器電(diàn)路。两个電(diàn)感最终串联，因此可(kě)以组合成一个電(diàn)感。

稳压器常用(yòng)规格汇总

无论稳压器是線(xiàn)性稳压器还是开关模式稳压器，设计人员都需要对表征稳压器性能(néng)的参数有(yǒu)基本的了解。

输出電(diàn)压：输出電(diàn)压可(kě)固定或可(kě)调。如果是固定的，则電(diàn)压在设备内部设置，您可(kě)以購(gòu)买所需输出電(diàn)压的特定部件号。

如果稳压器是可(kě)调型，電(diàn)压通常由两个電(diàn)阻组成的分(fēn)压器来设置。这提供了一些灵活性，但以额外组件為(wèi)代价。

输入電(diàn)压：需要严格遵守规定的最小(xiǎo)和最大输入電(diàn)压。它们在最低電(diàn)压以下根本无法工作，如果在最高電(diàn)压以上工作，它们就会损坏。

電(diàn)流输出：電(diàn)压调节器可(kě)以提供的最大電(diàn)流是有(yǒu)限的，通常由内部功率晶體(tǐ)管的载流能(néng)力决定。所有(yǒu) IC 稳压器解决方案都包含一个内置的電(diàn)流限制電(diàn)路，以防止损坏。

输出纹波或電(diàn)源抑制比 (PSRR)：输出纹波是指输出電(diàn)压的微小(xiǎo)变化。考虑输出電(diàn)压中的纹波量非常重要，因為(wèi)许多(duō)类型的電(diàn)路对其输入電(diàn)源上的任何噪声都很(hěn)敏感。

線(xiàn)性稳压器抑制输入纹波而不增加额外的纹波。它们抑制纹波的能(néng)力由電(diàn)源抑制比 (PSRR) 指定。PSRR 越高，線(xiàn)性稳压器在抑制输入電(diàn)压上的任何纹波方面就越好。

另一方面，开关稳压器因其开关特性而产生输出纹波。开关转换器的纹波量可(kě)以通过过滤和仔细选择组件来减少。

一种常见的设计技术是使用(yòng)开关稳压器以最小(xiǎo)功耗降低電(diàn)源電(diàn)压，然后使用(yòng)線(xiàn)性稳压器去除任何纹波。

许多(duō)低噪声、高 PSRR 線(xiàn)性稳压器具有(yǒu)一个额外的引脚，通常称為(wèi) NR 引脚或降噪引脚。在此引脚上放置一个大约 10nF 的電(diàn)容器接地有(yǒu)助于滤除内部参考電(diàn)压上的噪声和纹波，从而滤除输出電(diàn)压。

噪声：许多(duō)電(diàn)子元件，例如電(diàn)阻器和晶體(tǐ)管，也会产生基本的物(wù)理(lǐ)噪声，通常与纹波混淆。噪声将显示為(wèi)输出電(diàn)压的随机波动，而纹波将显示為(wèi)小(xiǎo)的周期性波形。  

虽然与纹波无关，但降低输出纹波的相同技术通常也会降低噪声——主要是使用(yòng)降噪電(diàn)容器。

负载调节：负载调节是指调节器在负载電(diàn)流变化时保持输出電(diàn)压稳定的能(néng)力。该规格通常在器件数据表中作為(wèi)输出電(diàn)压与负载電(diàn)流的关系图提供。

负载瞬态：这是输出電(diàn)压如何响应负载電(diàn)流的突然阶跃变化的量度。通常，当稳压器電(diàn)路尝试恢复并提供稳定的输出電(diàn)压时，输出電(diàn)压会出现小(xiǎo)的过冲或下冲。

線(xiàn)路调节：稳压器输入電(diàn)压的变化会导致输出電(diàn)压的变化，而線(xiàn)路调节是这种变化的衡量标准。

線(xiàn)路瞬态：这是输出電(diàn)压如何响应输入電(diàn)压的突然阶跃变化的量度。与负载瞬变一样，当稳压器的反馈环路对突然变化做出响应时，输出電(diàn)压会出现小(xiǎo)的过冲或下冲。具有(yǒu)高 PSRR 规格（即低输出纹波）的稳压器通常具有(yǒu)最佳的線(xiàn)路瞬态性能(néng)。

压降：  LM317 或 LM78xx 系列等经典線(xiàn)性稳压器的压降约為(wèi) 2 伏。这意味着输入電(diàn)压必须至少比输出電(diàn)压高 2 伏，稳压器才能(néng)工作。

低压差 (LDO) 稳压器可(kě)以在输入到输出電(diàn)压差小(xiǎo)得多(duō)的情况下工作。例如，TPS732 系列低压差稳压器的電(diàn)压输入范围為(wèi) 1.7 至 5.5 伏，250 mA 时的压差為(wèi) 40mV。

效率：效率是衡量调节器浪费了多(duō)少功率的指标。如前所述，線(xiàn)性稳压器比开关稳压器浪费更多(duō)的功率。这意味着線(xiàn)性稳压器的效率要低得多(duō)。可(kě)以通过将输出功率除以输入功率来计算效率。

因此，如果输出功率与输入功率相同，则效率為(wèi) 100%，稳压器不会浪费任何功率。这是理(lǐ)想但无法实现的场景。大多(duō)数开关稳压器的效率在 80-90% 之间。

線(xiàn)性稳压器的效率随输入電(diàn)压与输出電(diàn)压的比率而变化。这是因為(wèi)对于線(xiàn)性稳压器，输入電(diàn)流始终与输出電(diàn)流基本相同。  

由于功率等于電(diàn)压乘以電(diàn)流，效率方程中的電(diàn)流抵消了只留下電(diàn)压。这意味着输入電(diàn)压和输出電(diàn)压之间的差异越大，線(xiàn)性稳压器的效率就越差。

例如，对于具有(yǒu) 5VDC 输入電(diàn)压和 3.3VDC 输出電(diàn)压的線(xiàn)性稳压器，效率為(wèi)：

效率 = 3.3VDC / 5VDC = 66%

但是如果输入電(diàn)压增加到 12VDC，效率会下降到

效率 = 3.3VDC / 12VDC = 27.5%

这意味着 72.5% 的功率被線(xiàn)性稳压器浪费了！

低压差稳压器的主要优点是它们允许输出電(diàn)压非常接近输入電(diàn)压，这意味着稳压器的效率要高得多(duō)。  

例如，如果从 3.7VDC 锂离子電(diàn)池产生 3.3VDC 输出電(diàn)压，则需要压降小(xiǎo)于 400mV 的 LDO。在这些電(diàn)压下，效率為(wèi) 3.3VDC / 3.7VDC = 89%，与高效降压稳压器相当。

与線(xiàn)性稳压器不同，理(lǐ)想的开关稳压器的效率為(wèi) 100%，这意味着输入功率等于输出功率。这意味着输入電(diàn)流永遠(yuǎn)不会与输出電(diàn)流相同。

事实上，降压稳压器的输入電(diàn)流总是小(xiǎo)于输出電(diàn)流，而升压稳压器的输入電(diàn)流总是高于输出電(diàn)流。

输出電(diàn)容器：输出電(diàn)容器的大小(xiǎo)对于線(xiàn)性稳压器和开关稳压器都至关重要，因此请務(wù)必遵循数据表中的建议。在大多(duō)数情况下，陶瓷電(diàn)容器（具有(yǒu) X7R 或 X5R 热额定值）是最佳选择。

陶瓷電(diàn)容器具有(yǒu)非常低的寄生電(diàn)阻（称為(wèi)等效串联電(diàn)阻或 ESR），通常可(kě)以改善稳压器的瞬态响应。不过要小(xiǎo)心，因為(wèi)一些稳压器需要使用(yòng)具有(yǒu)更高 ESR 的钽電(diàn)容器以稳定反馈控制回路。

電(diàn)磁干扰 (EMI)

使用(yòng)开关模式電(diàn)源进行设计时的一个问题是潜在的電(diàn)磁干扰 (EMI)。

有(yǒu)源器件的开关动作可(kě)以在数百千赫兹到几兆赫兹的频率范围内产生广泛的辐射。这些发射可(kě)以传导和辐射到附近的设备，造成有(yǒu)害干扰甚至自干扰。

请注意，开关稳压器的 PCB 布局非常重要，比線(xiàn)性稳压器重要得多(duō)。所以一定要严格遵循数据表中的布局指南。  

如果您选择的开关稳压器的数据表中没有(yǒu)提供布局指南，那么我强烈建议您选择不同的稳压器。

结论

当功率效率不是问题时，或者当输入電(diàn)压仅略高于输出電(diàn)压时，最佳选择通常是線(xiàn)性稳压器。線(xiàn)性稳压器通常更便宜、更简单，并且需要的组件更少。  

如果需要真正干净、无纹波的输出電(diàn)压，那么線(xiàn)性稳压器也是最佳选择。

另一方面，如果功率效率是一个关键问题，或者输入電(diàn)压遠(yuǎn)高于所需的输出電(diàn)压，那么降压开关转换器是更好的选择。  

如果需要高于输入電(diàn)压的输出電(diàn)压，那么选择很(hěn)容易——只有(yǒu)升压稳压器可(kě)以执行该技巧。

与工程的所有(yǒu)方面一样，各种解决方案之间总是存在权衡。很(hěn)多(duō)时候最好的解决方案是一个开关稳压器，然后是一个線(xiàn)性稳压器。通过这种方式，您可(kě)以获得两全其美：效率和超级干净的输出電(diàn)压。