使用正確的開關穩(wěn)壓器提高效率

作者：Don Horne

投稿人：DigiKey 北美編輯

2025-01-07

在選擇合適的開關穩(wěn)壓器時，效率至關重要。當今的小型化設備需要能夠以小尺寸提供可靠的電源。

電子設計的基本要求是能夠產(chǎn)生能夠提供大量電流的穩(wěn)定電壓。開關穩(wěn)壓器是產(chǎn)生穩(wěn)定電源電壓和升高或降低電壓的重要組件。

開關穩(wěn)壓器可以有多種名稱：切換器或開關、開關模式電源 (SMPS) 以及 DC/DC 穩(wěn)壓器或轉換器。由于它們具有滿足更高效的高功率轉換要求、單個輸入電壓源穩(wěn)定輸出的靈活性以及適應不同極性的多個輸出電壓的能力等優(yōu)勢，其受歡迎程度持續(xù)增長。

最常見的開關轉換器類型有：

• 升壓，輸入電壓升高并調(diào)節(jié)輸出
• 降壓，輸入電壓降壓并調(diào)節(jié)輸出
• 降壓-升壓，輸入電壓通過負極性選項升高或降低
• 反激式，一種降壓-升壓型，還提供電流隔離

固定和可調(diào)線性穩(wěn)壓器

多年來，電源設計依賴于線性穩(wěn)壓器，事實證明線性穩(wěn)壓器在提供連續(xù)固定電壓輸出方面表現(xiàn)出色。還有其他可調(diào)節(jié)的線性穩(wěn)壓器，例如 LM317。

流行的固定和線性輸出穩(wěn)壓器類型是 78xx 正輸出和 79xx 負輸出電壓系列。這些穩(wěn)壓器可產(chǎn)生 5V 至 24V 范圍內(nèi)的穩(wěn)定輸出。

線性穩(wěn)壓器不是開關模式電源。電壓調(diào)節(jié)器具有簡單、成本低的優(yōu)點。它們的功率輸出通常低于 10 W，效率往往較低，從而產(chǎn)生熱量，并且具有低噪聲和紋波特性。線性穩(wěn)壓器僅具有降壓調(diào)節(jié)功能，而 SMPS 可以使用降壓、降壓-升壓和升壓組件提供升壓和降壓以及輸入電壓的負壓。

開關模式電源系統(tǒng)

大多數(shù)現(xiàn)代電視、個人電腦、直流電機驅(qū)動器和功率放大器都需要先進、高效的 SMPS，它利用半導體開關技術而不是標準線性方法來提供輸出電壓?；鹃_關轉換器由功率開關級和控制電路組成。

由于具有較低的功耗，SMPS 通過在飽和“ON”和截止“OFF”狀態(tài)之間內(nèi)部切換晶體管（或功率 MOSFET）而具有更高效率的優(yōu)點。

降壓開關穩(wěn)壓器

[ROHM Semiconductor ][BD9x]系列為設計人員提供高效 DC/DC 降壓轉換器，這是需要高效功率轉換的應用（包括汽車和工業(yè)設計）的緊湊選擇。 BD9x 系列采用簡化的設計，減少了組件數(shù)量，從而節(jié)省了空間并簡化了制造流程。它們的低待機電流可延長便攜式應用中的電池壽命，同時保持穩(wěn)定的輸出電壓以實現(xiàn)可靠的性能，例如[BD9A201FP4-LBZTL]降壓開關穩(wěn)壓器（圖 1）。

圖 1：BD9A201FP4-LBZTL 降壓開關穩(wěn)壓器提供穩(wěn)定的輸出電壓。 （圖片來源：羅姆半導體）

[BD9E105FP4-ZTL]降壓開關穩(wěn)壓器（圖 2）具有單個可調(diào)輸出，是一款專為較低電壓需求而設計的直流穩(wěn)壓器。 BD9E105FP4-ZTL 穩(wěn)壓器采用低導通電阻功率 MOSFET 和單個同步降壓 DC/DC 轉換器，可在輕負載條件下提供最高效率。這對于需要最低待機功耗的裝置和設備來說是理想的選擇。

它具有良好的瞬態(tài)響應，在 PCB 上占用空間小，同時在小型封裝中提供高功率密度，非常適合冰箱和空調(diào)、電信設備、適配器和二次電源設備等家用電器產(chǎn)品。

圖 2：BD9E105FP4-ZTL 降壓開關穩(wěn)壓器可以滿足較低的電壓需求。 （圖片來源：羅姆半導體）

升壓開關穩(wěn)壓器

[MP3414AGJ-Z]升壓開關穩(wěn)壓器具有可調(diào)輸出，其薄型外形有利于空間有限的表面貼裝應用。它能夠在 -40°C ~ +125°C 的溫度范圍內(nèi)輕松運行，并且可以從低至 1.8 V 的輸入電壓開始工作，同時提供浪涌電流和輸出短路保護 (SCP)。

當需要具有輸出斷開功能的升壓轉換器時，必須能夠在同步電流模式下運行，同時保持高效率。此外，無需外部肖特基二極管，因為集成 P 溝道同步整流器提高了效率。 MP3414A 關閉時的輸出斷開功能允許完全放電，同時在關閉模式下消耗小于 1 μA 的電源電流。

越小越好

利用 MP3414A 可以減少外部組件的數(shù)量。它使用 1 MHz 開關頻率，允許使用更小的外部組件，同時其軟啟動功能最大限度地減少了外部組件數(shù)量。它可以處理寬電流負載范圍。此外，集成功率MOSFET支持3A以上的峰值開關電流，輸出達到5.5V。

這種多功能性和緊湊尺寸的廣泛功率非常適合單節(jié)鋰電池產(chǎn)品（包括兩節(jié)和三節(jié)堿性電池、鎳氫電池或鎳鎘電池）等應用。無線外設、游戲配件、個人醫(yī)療設備和便攜式媒體播放器都受益于 MP3414A 等升壓轉換器。

該技術發(fā)展迅速，并且變得越來越緊湊。與 SOP-J8 相比，采用 TSOT23 封裝的 MP3414AGJ-Z 大約小 72%，從而顯著減小了占位面積（圖 3）。

圖 3：隨著組件設計得越來越小，像 TSOT23 這樣的封裝類型的小型化是必要的。 （圖片來源：羅姆半導體）

最大限度地提高效率，同時降低功耗

小型化的需求是持續(xù)的驅(qū)動力，同時還需要保持可靠性和功率效率。[BD9E202FP4-ZTL] 降壓開關穩(wěn)壓器以緊湊的設計提供可調(diào)輸出和可靠的電源（圖 4）。

圖 4：BD9E202FP4-ZTL 是一款降壓開關穩(wěn)壓器，能夠以更小、更緊湊的設計提供可靠的電源。 （圖片來源：羅姆半導體）

雖然可能有人認為尺寸變小意味著犧牲負載能力或可靠的電力傳輸，但事實并非如此。 BD9E202FP4-ZTL 確實提供了高轉換效率，同時也有助于降低功耗要求（圖 5）。

通過提供低待機電流，電池供電的設備在閑置時可以從最低的功耗中受益。此外，通過恒定的導通時間控制可以實現(xiàn)輕負載期間的高效運行。

圖 5：設計人員尋找能夠高效可靠地提供服務的高效 DC/DC 降壓轉換器。 （圖片來源：羅姆半導體）

AC/DC 和 DC/DC 反激式轉換器

反激轉換器是一種包含反激變壓器的降壓-升壓轉換器。它可用于 AC/DC 和 DC/DC 轉換，其中任何輸出和輸入之間都存在電流隔離，并提供電壓比的倍增以及隔離的附加優(yōu)勢。

隔離式電源轉換器具有電壓模式控制和電流模式控制作為其兩種控制方案。在大多數(shù)情況下，電流模式控制應占主導地位，以確保操作時的穩(wěn)定性。

降壓-升壓 DC-DC 轉換器

輸出電壓幅度大于或小于輸入電壓的典型 DC-DC 轉換器是降壓-升壓轉換器。產(chǎn)生負電壓也是可能的。它類似于反激式轉換器，但它不使用變壓器，而是使用單個電感器。具體來說，降壓-升壓轉換器由兩種不同的拓撲組成，兩種拓撲都產(chǎn)生從大于輸入到小至零的一系列輸出電壓。

DC/DC 電源有時被稱為“斬波器”，包括降壓-升壓電路，根據(jù)占空比，該電路可用作升壓或降壓轉換器。

結論

如果沒有開關穩(wěn)壓器，當今汽車和工業(yè)設計的高效電源轉換就無法發(fā)揮作用。隨著當今的設計變得更加緊湊，對保持一致功率水平的多功能、高效組件的需求從未如此強烈。

雖然開關穩(wěn)壓器可能有不同的名稱（SMPS、DC/DC 切換器、穩(wěn)壓器或轉換器），但 ROHM 為需要高效電源轉換的各種應用提供了多種緊湊型選項。

審核編輯 黃宇