使用(yòng)开关稳压器与線(xiàn)性稳压器进行DC-DC转换

2020-06-09

大多(duō)数设计人员谈论功率调节和DC-DC转换时，他(tā)们专注于效率并谈论开关调节器。比较开关稳压器与線(xiàn)性稳压器时，这是有(yǒu)道理(lǐ)的。对于低電(diàn)平電(diàn)路，可(kě)以使用(yòng)高效的开关稳压器作為(wèi)IC。那么線(xiàn)性稳压器在哪里适合DC-DC转换领域，您如何在功率调节策略中使用(yòng)它们呢(ne)？

通常，是使用(yòng)开关稳压器还是線(xiàn)性稳压器，还是级联稳压器的组合，取决于未稳压源的性质。如果您专门设计功率调节器来适应電(diàn)源的行為(wèi)，则可(kě)以减少组件数量和系统复杂性。这是每种类型的调节器如何在DC-DC转换中发挥作用(yòng)，以及如何设计電(diàn)路以适应未调节的電(diàn)源。

功率转换中的开关稳压器与線(xiàn)性稳压器

开关稳压器和線(xiàn)性稳压器用(yòng)于各种系统，并且多(duō)个稳压器可(kě)以级联（即，串联放置）。转换為(wèi)高直流電(diàn)压后，通常会使用(yòng)另一个开关稳压器/ VRM為(wèi)特定電(diàn)路模块提供所需的输出電(diàn)压。或者，您可(kě)以在输出级使用(yòng)線(xiàn)性稳压器来提供稳定的输出，并留有(yǒu)一定的余量。这是放置低压差稳压器的典型位置。 

这种将多(duō)个调节器串联放置的调节策略非常普遍，并且比单个调节器具有(yǒu)多(duō)个优势。下面显示了显示此示例策略的框图。

适应交流電(diàn)源

上述策略旨在在非稳压DC和稳压DC之间进行转换，但也可(kě)以与AC線(xiàn)路输入一起使用(yòng)。為(wèi)此，只需在第一个开关转换器的输入处放置一个全波二极管電(diàn)桥。 

开关转换器会在未调节的输入AC電(diàn)流上引起谐波失真，从而降低调节器的整體(tǐ)效率。因此，功率因数校正（PFC）電(diàn)路用(yòng)于消除AC電(diàn)流尖峰并使输入AC電(diàn)流呈现正弦波并带有(yǒu)一些波纹。根据欧洲EMC准则，必须使用(yòng)PFC電(diàn)路，这有(yǒu)助于减少主電(diàn)源消耗的过多(duō)功率。

转换器安排

上图中的第一转换器级通常是开关稳压器。这样做是因為(wèi)转换器通常需要将高電(diàn)压信号降压到中等或低電(diàn)压電(diàn)平。转换器还需要配置為(wèi)具有(yǒu)较高的PSRR，以便在相关频率范围内提供较大的噪声/纹波抑制。

上述策略中的输出转换器可(kě)以是开关稳压器或線(xiàn)性稳压器，具體(tǐ)取决于确切的功率要求，第一转换器级中的任何控制机制以及未稳压電(diàn)源的行為(wèi)。 

就纹波噪声而言，線(xiàn)性稳压器趋向于在更宽的频率范围内提供纹波抑制，从而使其可(kě)用(yòng)于抑制来自上游稳压器的宽带噪声。这是上述策略中经常在输出上使用(yòng)線(xiàn)性稳压器的原因之一。

通常在输出上使用(yòng)的線(xiàn)性稳压器是LDO稳压器。只要输入電(diàn)压高于调节器的裕量，这些调节器就会使用(yòng)运算放大器将调节器的输出设置為(wèi)所需的電(diàn)平。开关稳压器也可(kě)以用(yòng)于输出，这再次取决于所需的降压電(diàn)平，输入到最终稳压器的信号是否会变化以及它是否包含控制電(diàn)路。

开关稳压器与線(xiàn)性稳压器的比较

由于第一个转换器通常会提供较大的输入電(diàn)压降压，因此一般在此阶段使用(yòng)开关稳压器。这是因為(wèi)开关稳压器非常高效，如下表所示。开关稳压器的三种常见拓扑是降压（降压），升压（升压）或降压-升压（可(kě)通过调节PWM信号的占空比进行配置）。如上所述，最后的调节器级可(kě)以是線(xiàn)性调节器或LDO调节器。

	線(xiàn)性稳压器	开关稳压器
效率	低（通常為(wèi)60％至70％）	高（通常為(wèi)95％）
控制方式	被动或有(yǒu)源运算放大器	PWM信号
极性	与输入電(diàn)压相同	可(kě)逆的
缩放比例	降压	升压或降压
最高 電(diàn)压输出	低	中到高
PSRR	宽带，高达〜70 dB（取决于频率）	〜50至100 dB，取决于频率
噪声	匹配输入纹波的低频噪声	-由于PWM信号和开关而产生的10-1,000 kHz噪声。 -输出波纹。

下面的流程图显示了一种典型的功率调节策略，其中在電(diàn)源转换器的输出上使用(yòng)了LDO。开关转换器将未稳压的输入降压并抑制低频纹波。第二个开关转换器将输出刚好高于LDO裕量的電(diàn)压，并且LDO将输出所需的電(diàn)压電(diàn)平。

第二个稳压器上的反馈電(diàn)路可(kě)以补偿输入電(diàn)压電(diàn)平的任何上游变化。在这种情况下，当電(diàn)压输出下降到选定電(diàn)平以下时，反馈電(diàn)路会增加第二个稳压器中的PWM占空比，从而补偿稳压器输出上的任何電(diàn)压下降。当非稳压電(diàn)源可(kě)能(néng)来自電(diàn)池，机電(diàn)逆变器或其他(tā)输入范围较大的電(diàn)源时，这种情况很(hěn)常见。