為您的應(yīng)用選擇合適的電源IC

本文討論為給定應(yīng)用選擇電源的過程。本文回顧了三種最常見的DC-DC轉(zhuǎn)換電源IC的特性。它還提供了其他應(yīng)用筆記和教程的鏈接，這些筆記和教程討論了更高級的主題。

對于沒有經(jīng)驗(yàn)的人來說，選擇電源IC可能是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。本應(yīng)用筆記將幫助新手工程師邁出第一步，成為自信的電源設(shè)計(jì)人員。本文討論如何在最基本的層面上選擇這些IC。首先，它解釋了為什么需要電源IC。然后，本文展示了如何在三種最常見的直流電壓供電電源IC中進(jìn)行選擇：線性穩(wěn)壓器、開關(guān)穩(wěn)壓器和電荷泵。支持性應(yīng)用筆記和教程的鏈接將討論更高級的電源主題。

為什么選擇電源IC？

大多數(shù)電源IC的主要目的是調(diào)節(jié)。這些器件采用非穩(wěn)壓輸入電壓并提供穩(wěn)壓輸出電壓。簡單地說，這些IC提供的輸出電壓在輸入電壓或輸出電流變化的情況下仍保持穩(wěn)定。這解釋了線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器的名稱。這個簡單定義的例外是電荷泵。根據(jù)具體器件的不同，電荷泵的輸出可以是穩(wěn)壓的，也可以是非穩(wěn)壓的。

有時穩(wěn)壓器從穩(wěn)壓輸入電壓產(chǎn)生穩(wěn)壓輸出電壓。在這種情況下，穩(wěn)壓器的功能是將輸入電壓更改為另一個電壓電平，而不必改善電壓調(diào)節(jié)。

您可能很想在沒有穩(wěn)壓器的情況下為電路供電。事實(shí)上，在某些情況下，你可以成功做到這一點(diǎn)。例如，您可以直接從電池為便攜式設(shè)備供電。但這種方法通常會導(dǎo)致問題。便攜式設(shè)備中的電路通常只能在一定的窄電壓范圍內(nèi)正常工作。對于微處理器和存儲器尤其如此，尤其是在需要高速的情況下。對于微處理器、存儲器和許多其他類型的電路，電池工作的電壓范圍可能會超出可接受的水平。因此，添加穩(wěn)壓器可確保您的電路接收適當(dāng)?shù)碾妷骸?/p>

如果不使用穩(wěn)壓器，電池的內(nèi)阻也可能出現(xiàn)問題。之所以出現(xiàn)這種困難，是因?yàn)楸銛y式設(shè)備中的電路通常需要不同水平的電源電流。當(dāng)從電池中汲取時，由于電池的內(nèi)阻，這種變化的電流會產(chǎn)生不同的電池電壓。部分電路可以“反對”電池電壓的這些變化，因?yàn)殡娐犯鞣N組件的PSRR（電源抑制比）可能不足以抑制這些電壓變化。為了解決這個問題，穩(wěn)壓器在負(fù)載電流變化的情況下保持穩(wěn)定的輸出電壓。穩(wěn)壓器提供這種穩(wěn)定的電壓，因?yàn)槠溆性措娐繁３值妮敵?a target="_blank">電阻明顯低于電池的串聯(lián)電阻。

任何在沒有穩(wěn)壓器的情況下進(jìn)行設(shè)計(jì)的嘗試都會挑戰(zhàn)穩(wěn)壓器提供穩(wěn)定電壓的必要性，盡管輸入電壓或輸出電流會發(fā)生變化。但還有更多需要考慮。在大多數(shù)情況下，開關(guān)穩(wěn)壓器和線性穩(wěn)壓器，如穩(wěn)壓和非穩(wěn)壓電荷泵，還有一個額外的用途：它們產(chǎn)生的電壓與為其供電的電壓幅度不同。這解釋了DC-DC轉(zhuǎn)換器的名稱。從技術(shù)上講，這里討論的所有三種類型的電源IC（例如線性穩(wěn)壓器、開關(guān)穩(wěn)壓器和電荷泵）都是DC-DC轉(zhuǎn)換器，但是，該術(shù)語通常保留用于開關(guān)穩(wěn)壓器。

線性穩(wěn)壓器在轉(zhuǎn)換電壓電平時受到一定限制，只能產(chǎn)生低于為其供電的電壓的電壓。開關(guān)穩(wěn)壓器的用途更為廣泛，可以升壓（升壓）、降壓（降壓）或反相（改變極性）其電源電壓。電荷泵執(zhí)行這三種相同的操作，但輸出電流能力有限。

請參考應(yīng)用筆記269：“以性能換取便攜式電源成本”。

電源IC產(chǎn)生的電壓與饋給它們的電壓不同，也有例外。變壓器耦合轉(zhuǎn)換器最常見例外情況。找到輸出電壓等于其輸入電壓的變壓器耦合轉(zhuǎn)換器并不罕見。參見圖1。在大多數(shù)情況下，以這種方式配置的轉(zhuǎn)換器的唯一目的是提供隔離，從而防止提供給轉(zhuǎn)換器的輸入電壓與轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的輸出電壓之間的直流連接。參見圖2。出于安全原因，通常使用隔離。例如，通過電極連接到患者的電路的電源與來自墻壁插座的電源隔離，以防止電擊風(fēng)險(xiǎn)。但是您不需要在醫(yī)院要求隔離。幾乎所有消費(fèi)電子產(chǎn)品都將交流線路與工作電路隔離開來。

圖1.該變壓器耦合開關(guān)穩(wěn)壓器電路將輸入電壓與輸出電壓隔離開來。電源設(shè)計(jì)人員通常使用光耦合器將電路輸出與穩(wěn)壓器的反饋引腳隔離開來。

圖2.電路具有一個隔離的5V至5V/400mA電源。內(nèi)置MAX668升壓控制器。

請參閱隔離電源參考指南。Maxim的隔離電源應(yīng)用筆記進(jìn)行了分類，以便于參考。

現(xiàn)在將解釋線性穩(wěn)壓器、開關(guān)穩(wěn)壓器和電荷泵的優(yōu)缺點(diǎn)。

線性穩(wěn)壓器

線性穩(wěn)壓器通常是各種類型的電源IC中最小、通常最便宜且噪聲最小的。參見圖 3。如果線性穩(wěn)壓器適合您的應(yīng)用，請使用它，特別是因?yàn)榫€性穩(wěn)壓器電路比圍繞其他類型的電源IC構(gòu)建的電路更有可能在第一次就正常工作。

圖3.線性穩(wěn)壓器既降壓又調(diào)節(jié)提供給它的電壓，只需最少數(shù)量的外部元件。由于這些器件不包含開關(guān)元件，因此產(chǎn)生的噪聲很小。此外，線性穩(wěn)壓器的電路板布局不如開關(guān)穩(wěn)壓器和電荷泵重要。

為什么要使用除線性穩(wěn)壓器以外的任何電源IC？原因有二。首先，線性穩(wěn)壓器只能提供小于其輸入電壓的輸出電壓。如上所述，如果要產(chǎn)生高于輸入電壓或極性相反的電壓，則別無選擇，只能使用開關(guān)穩(wěn)壓器或電荷泵。

第二個原因是效率。將一個電壓轉(zhuǎn)換為另一個電壓總是浪費(fèi)電力。在理想情況下，穩(wěn)壓器不浪費(fèi)電力;其效率等級將為100%。如果提供給穩(wěn)壓器的功率中有一半到達(dá)穩(wěn)壓器的負(fù)載，則其效率將為50%。

線性穩(wěn)壓器的效率通常（但并非總是）低于開關(guān)穩(wěn)壓器。您可以通過將輸出電壓除以輸入電壓來計(jì)算線性穩(wěn)壓器的效率。（如果為穩(wěn)壓器供電的電流、穩(wěn)壓器的電源或靜態(tài)電流只是從穩(wěn)壓器輸出汲取的電流的一小部分，則此公式足夠準(zhǔn)確。在大多數(shù)情況下，確實(shí)如此。因此，對于LDO（低壓差線性穩(wěn)壓器），其中 為線性穩(wěn)壓器供電的電源電壓接近穩(wěn)壓器的輸出電壓，效率高，在這種情況下，LDO可能是比開關(guān)穩(wěn)壓器更好的選擇，因?yàn)長DO的噪聲較小。MAX1725/MAX1726為超低電源電流LDO，最大靜態(tài)電流為4.5μA。

高效穩(wěn)壓器在便攜式設(shè)備中具有明顯的優(yōu)勢，因?yàn)楦俚墓β世速M(fèi)導(dǎo)致更長的電池壽命。您可能需要高效穩(wěn)壓器還有另一個原因：浪費(fèi)的功率會以熱量的形式消散。因此，高效電源通常適合壁掛式供電設(shè)備以及便攜式設(shè)備。在任何一種情況下，此電源都可以將外殼內(nèi)的溫度降低到可容忍的水平。

在汽車應(yīng)用中，通常需要更高的輸入電壓和更寬的溫度范圍。例如，MAX6765–MAX6774在-4°C至+72°C溫度范圍內(nèi)工作在40V至125V。這些線性穩(wěn)壓器具有控制輸入，使其“適合汽車”。

參見低壓差線性穩(wěn)壓器。

開關(guān)穩(wěn)壓器

開關(guān)穩(wěn)壓器不具備線性穩(wěn)壓器的優(yōu)勢。開關(guān)穩(wěn)壓器消耗更多的電路板面積（除非線性穩(wěn)壓器需要散熱器來消耗其中損耗的功率）;成本更高;并產(chǎn)生比線性對應(yīng)物更多的噪聲。然而，多年來，開關(guān)穩(wěn)壓器一直受到電源設(shè)計(jì)人員的極大歡迎。為什么？

開關(guān)穩(wěn)壓器仍然很受歡迎，因?yàn)檫@些器件在承受輸入電壓和負(fù)載電流的多種組合時具有出色的效率。（升壓和降壓開關(guān)的電平可高達(dá)96%，但降壓通常效率更高，逆變器的降壓效率高達(dá)90%）。此外，如果您需要升壓、降壓或反相電壓，開關(guān)穩(wěn)壓器是唯一能夠在負(fù)載電流高于約125mA的情況下進(jìn)行這些操作的器件。誠然，您可以使用電荷泵來執(zhí)行這些操作，但這些器件允許的負(fù)載電流是有限的。將足夠大的開關(guān)集成到電荷泵中以處理高于125mA電平的負(fù)載電流實(shí)在太昂貴了，盡管少數(shù)電荷泵確實(shí)可以提供幾百毫安的電流。

開關(guān)穩(wěn)壓器之所以如此命名，是因?yàn)樗鼈冮_關(guān)功率晶體管，當(dāng)與電感器結(jié)合使用時，功率晶體管可以有效地將一個電壓轉(zhuǎn)換為另一個電壓。參見圖 4。當(dāng)這些功率晶體管切換時，它們會非常迅速地切換，因?yàn)榭焖俎D(zhuǎn)換可以提高穩(wěn)壓器的效率。要了解原因，首先要考慮功率晶體管未轉(zhuǎn)換時的功耗。當(dāng)晶體管關(guān)閉時，電壓出現(xiàn)在它上面，但沒有電流流過它。因此，不會損失任何功率。當(dāng)晶體管導(dǎo)通時，其兩端會出現(xiàn)一個小電壓，同時可能會有可觀的電流流過它。因此，通常會損失少量功率。當(dāng)功率晶體管從關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換到導(dǎo)通狀態(tài)時，反之亦然，當(dāng)電流流過晶體管時，晶體管上會出現(xiàn)電壓。因此，可能會損失可觀的功率。加快開關(guān)過程可降低這些轉(zhuǎn)換損耗。

為了盡量減少與開關(guān)電源中整流二極管相關(guān)的功率損耗，可以使用同步配置。在同步配置中，整流二極管被MOSFET開關(guān)取代。這種方法進(jìn)一步提高了開關(guān)轉(zhuǎn)換器的效率。MAX15023是同步降壓控制器的一個例子。

圖4.開關(guān)穩(wěn)壓器可以 （a） 降壓（降壓）、（b） 升壓（升壓）或 （c） 降壓/升壓并反相（降壓升壓）為其供電的電壓。這三種開關(guān)穩(wěn)壓器類型中的外部晶體管開關(guān)通常包含在開關(guān)穩(wěn)壓器中，通常是當(dāng)器件指定用于中等負(fù)載電流時。有時，降壓和升壓開關(guān)穩(wěn)壓器IC構(gòu)成此處所示的整流器。

這些快速轉(zhuǎn)換，以及經(jīng)常在這些電路中流動的大電流，使得電路板布局變得至關(guān)重要。開關(guān)穩(wěn)壓器電路需要經(jīng)過深思熟慮的布局，并且必須正確指定開關(guān)穩(wěn)壓器IC外部的元件?？紤]到各種類型的電源，開關(guān)穩(wěn)壓器需要最仔細(xì)的設(shè)計(jì)。

幸運(yùn)的是，有一種方法可以解決這些布局問題。對于輸出電流要求較低的應(yīng)用，可提供集成MOSFET的開關(guān)穩(wěn)壓器。MAX17083為集成開關(guān)的降壓穩(wěn)壓器，支持高達(dá)5A的連續(xù)負(fù)載電流。內(nèi)部開關(guān)大大方便了電路板布局。但是，這會將輸出功率限制在IC的功耗限制和設(shè)計(jì)規(guī)格范圍內(nèi)。

Maxim還為大多數(shù)開關(guān)穩(wěn)壓器提供EV（評估）套件。這些套件演示了電源的工作布局，在許多情況下可以適應(yīng)特定的電路板。此外，穩(wěn)壓器的數(shù)據(jù)手冊中通常列出了各種外部元件的多個電源。決定使用哪些外部元件只需從已指定的多個器件中進(jìn)行選擇，每個器件都能夠與特定的開關(guān)穩(wěn)壓器IC很好地配合使用。

參見電源電路應(yīng)用筆記和Maxim電源手冊。

Maxim還提供在線仿真工具（EE-Sim）來設(shè)計(jì)和仿真電源電路。

電荷泵

電荷泵是這里討論的電源IC中最不為人所知的一類。這些器件執(zhí)行與開關(guān)穩(wěn)壓器相同的功能，但沒有電感器。相反，電荷泵使用電容器來降壓、反相或升壓為其供電的電壓。參見圖 5。

圖5.與開關(guān)穩(wěn)壓器一樣，電荷泵對電壓進(jìn)行降壓、升壓和反相處理，但使用電容器而不是電感器來執(zhí)行這些操作。在大多數(shù)情況下，電荷泵處理的輸出電流低于開關(guān)穩(wěn)壓器。盡管拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)略有不同，但此處所示的電路代表了穩(wěn)壓和非穩(wěn)壓電荷泵，無論它們是升壓、降壓還是反相電壓。

電荷泵具有非穩(wěn)壓和穩(wěn)壓輸出?？紤]一個連接到未穩(wěn)壓電荷泵輸出的電路，隨著該電路消耗越來越多的電流，其輸出電壓成比例下降。因此，電荷泵的輸出阻抗基本上是一個固定電阻。當(dāng)在反相模式使用時，未穩(wěn)壓電荷泵提供的輸出電壓等于為器件供電的電壓，但極性相反（例如MAX828）。如上所述，隨著負(fù)載電流的增加，該電壓的大小會下降。當(dāng)在倍增模式下使用時，這些電荷泵精確地使施加的電壓（例如MAX1682）加倍，輸出電壓也會隨著負(fù)載電流的增加而下降。

穩(wěn)壓電荷泵可以升壓、降壓或反相施加電壓。與非穩(wěn)壓電荷泵不同，這些器件提供的輸出電壓電平并不嚴(yán)格依賴于饋送給它們的電壓電平。因此，這些器件可以從5.3V輸入產(chǎn)生3V輸出。此外，由于它們是穩(wěn)壓的，隨著輸出電流的增加，輸出電壓基本上保持恒定。如上所述，可以從這些器件以及未穩(wěn)壓電荷泵汲取的電流量是有限的。上限約為125mA（例如MAX1595），但也有少數(shù)器件可處理幾百毫安電流（例如MAX889）。構(gòu)建提供大負(fù)載電流的電荷泵是不經(jīng)濟(jì)的。相反，基于電感的開關(guān)穩(wěn)壓器非常適合這種情況。

電荷泵切換與其相連的電容器，從而產(chǎn)生噪聲。該噪聲的幅度通常小于開關(guān)穩(wěn)壓器的噪聲。這主要有三個原因。首先，負(fù)載電流更輕。其次，由于這些電路不包括電感器，因此不會產(chǎn)生磁噪聲。最后，當(dāng)電荷泵中斷流過與其相連的電容器的電流時，不會產(chǎn)生電壓尖峰。開關(guān)穩(wěn)壓器中斷流經(jīng)電感器的電流通常會產(chǎn)生電壓尖峰。

電荷泵數(shù)據(jù)手冊為您提供了選擇使用電荷泵時唯一需要的外部元件（即電容器）所需的信息。雖然評估板不是必需的，因此電荷泵的可用性較低，但任何可用的評估板都可以快速確定該器件是否適合特定應(yīng)用。

審核編輯：郭婷