開關(guān)穩(wěn)壓器和線性穩(wěn)壓器的比較

直流穩(wěn)壓技術(shù)擁有悠久的歷史：首個集成電路穩(wěn)壓器可追溯至半個世紀(jì)前。最早出現(xiàn)的是線性穩(wěn)壓器，一些最早的設(shè)計(jì)至今仍在使用。隨后，對效率和設(shè)計(jì)靈活性的需求推動了開關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的發(fā)展。在具體應(yīng)用中，開關(guān)穩(wěn)壓器與線性穩(wěn)壓器各有其優(yōu)缺點(diǎn)，本文將對兩者進(jìn)行比較和對比。

線性穩(wěn)壓器的概念很簡單。圖 1 顯示了一個典型的采用閉環(huán)控制方案的線性穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)。通道晶體管作為可變電阻器，通過限制從輸入端到輸出端的電流來進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此，輸出電壓必須始終低于輸入電壓。

圖1：線性穩(wěn)壓器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

為了在所需的輸出電壓 VOUT下，確保誤差放大器反相輸入端的分壓電壓與非反相輸入端的電壓 VREF相同，需要選擇合適的電阻分壓鏈 R1/R2。誤差放大器通過控制其輸出，確保其輸入端之間的電壓差始終為零。

線性穩(wěn)壓器產(chǎn)生的開關(guān)噪聲極小，適用于需要低噪聲水平的應(yīng)用。在正常運(yùn)行中，即使輸入電壓快速波動，輸出電壓也能保持穩(wěn)定。這意味著它們無論在基頻下，還是在高達(dá)五次或十次諧波的情況下，都可以高效地濾除輸入紋波。唯一的限制是內(nèi)部誤差放大器的帶寬。低噪聲應(yīng)用的例子包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、精密模擬電路和物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 傳感器。

線性穩(wěn)壓器還具有成本低、元器件少等優(yōu)點(diǎn)，因此非常適合低成本或空間受限的消費(fèi)和工業(yè)設(shè)計(jì)。另一方面，輸入和輸出之間的電壓差 (VIN– VOUT) 出現(xiàn)在通道晶體管上，造成必須以熱量形式耗散的功率損失。根據(jù)輸入和輸出之間的電壓差，功率損失可能占到電源功率的很大比例。例如，輸入為 9 V、輸出為 5 V 的線性穩(wěn)壓器，將 44% 的電源功率作為熱量浪費(fèi)，效率僅為 56%。為滿足散熱要求，線性穩(wěn)壓器可能需要更大的散熱片或額外的冷卻機(jī)制。

開關(guān)穩(wěn)壓器以復(fù)雜性換取效率

DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器的發(fā)明提高了效率，但需要采用更復(fù)雜的設(shè)計(jì)方法。與線性穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)相比，開關(guān)穩(wěn)壓器利用電感和電容元件的儲能特性，以離散能量包的形式傳輸功率。這些能量包儲存在電感器的磁場或電容器的電場中。開關(guān)控制器確保每個能量包只傳輸負(fù)載所需的能量，因此該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)非常高效。最佳設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn) 95% 或更高的效率。與線性穩(wěn)壓器不同，開關(guān)穩(wěn)壓器的效率不依賴于輸入和輸出之間的電壓差。

圖2：開關(guān)穩(wěn)壓器的簡化框圖

圖 2 顯示了 DC/DC 開關(guān)穩(wěn)壓器的簡化框圖。多種類型的開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提供了極大的設(shè)計(jì)靈活性。開關(guān)穩(wěn)壓器可以產(chǎn)生高于或低于輸入的輸出（升壓或降壓），或?qū)⑤斎腚妷悍崔D(zhuǎn)為輸出電壓。其中，既有隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，也有非隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 由于開關(guān)穩(wěn)壓器效率更高且散熱需求降低，因此其結(jié)構(gòu)更為緊湊。然而，開關(guān)穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)難度增大，要求設(shè)計(jì)人員掌握數(shù)字與模擬控制、磁學(xué)和電路板布局等多種技能。對于給定的功率等級，提高效率通常需要使用更多元件，導(dǎo)致設(shè)計(jì)更復(fù)雜，成本上升。

快速開關(guān)動作可能會引入電磁干擾 (EMI) 或開關(guān)噪聲，從而影響附近的元器件。設(shè)計(jì)人員必須注意元器件布局、接地和走線，將開關(guān)噪聲的影響降至最低。對任何效率至上的應(yīng)用來說，開關(guān)穩(wěn)壓器是首選，例如服務(wù)器、計(jì)算機(jī)和工業(yè)過程控制中使用的高功率電源。電池供電的應(yīng)用同樣受益于更高的效率，電池壽命得以延長，例如便攜式設(shè)備和電動汽車。由于開關(guān)穩(wěn)壓器的高效運(yùn)行，通常無需再使用笨重的散熱器，對于空間受限的設(shè)計(jì)尤其有益。

RECOM 穩(wěn)壓器

RECOM的工程師擅長為特定應(yīng)用設(shè)計(jì)最佳的開關(guān)和線性拓?fù)浣M合。

圖3：集兩者之長 - 輸出端帶線性穩(wěn)壓器的推挽式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器輸入級

在高功率設(shè)計(jì)中，通常使用開關(guān)穩(wěn)壓器進(jìn)行初級轉(zhuǎn)換，以最大限度地提升整體效率。開關(guān)階段產(chǎn)生的各種電壓可直接為負(fù)載供電；在需要低噪聲的應(yīng)用場景中，可串聯(lián)一個線性穩(wěn)壓器。在低功率應(yīng)用中，最佳策略則取決于具體應(yīng)用。有時(shí)只需一個簡單的線性穩(wěn)壓器即可滿足需求；有時(shí)則需要組合使用開關(guān)穩(wěn)壓器和線性穩(wěn)壓器，以獲得最佳結(jié)果。圖3 通過在隔離式開關(guān)拓?fù)洌ū纠袨橥仆燹D(zhuǎn)換器）的次級側(cè)的 +Vout 線上串聯(lián)一個線性穩(wěn)壓器，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。這種方法將兩種穩(wěn)壓器整合到一個器件中，效率高于純線性設(shè)計(jì)，被應(yīng)用在 RECOM 的部分最低功率 DC/DC 轉(zhuǎn)換器中。

結(jié) 論

開關(guān)穩(wěn)壓器的特點(diǎn)是效率高、設(shè)計(jì)靈活和外形尺寸更緊湊，但其設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，且開關(guān)噪聲可能導(dǎo)致電磁干擾問題。線性穩(wěn)壓器則以設(shè)計(jì)簡單、低噪聲和成本效益為特點(diǎn)，但其效率較低，且可能需要使用笨重的散熱器。RECOM 可以幫助您為各種類型的電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用選擇合適的功能組合。