使用正確的開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器時(shí)，效率至關(guān)重要。當(dāng)今的小型化設(shè)備需要能夠以小尺寸提供可靠的電源。

電子設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器可以有多種名稱(chēng)：切換器或開(kāi)關(guān)、開(kāi)關(guān)模式電源 (SMPS) 以及 DC/DC 穩(wěn)壓器或轉(zhuǎn)換器。由于它們具有滿(mǎn)足更高效的高功率轉(zhuǎn)換要求、單個(gè)輸入電壓源穩(wěn)定輸出的靈活性以及適應(yīng)不同極性的多個(gè)輸出電壓的能力等優(yōu)勢(shì)，其受歡迎程度持續(xù)增長(zhǎng)。

最常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器類(lèi)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(guò)負(fù)極性選項(xiàng)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(lái)，電源設(shè)計(jì)依賴(lài)于線性穩(wěn)壓器，事實(shí)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(lèi)型是 78xx 正輸出和 79xx 負(fù)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(kāi)關(guān)模式電源。電壓調(diào)節(jié)器具有簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn)。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(fù)壓。

開(kāi)關(guān)模式電源系統(tǒng)

大多數(shù)現(xiàn)代電視、個(gè)人電腦、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和功率放大器都需要先進(jìn)、高效的 SMPS，它利用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)技術(shù)而不是標(biāo)準(zhǔn)線性方法來(lái)提供輸出電壓。基本開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器由功率開(kāi)關(guān)級(jí)和控制電路組成。

由于具有較低的功耗，SMPS 通過(guò)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(diǎn)。

降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器

[ROHM Semiconductor ][BD9x]系列為設(shè)計(jì)人員提供高效 DC/DC 降壓轉(zhuǎn)換器，這是需要高效功率轉(zhuǎn)換的應(yīng)用（包括汽車(chē)和工業(yè)設(shè)計(jì)）的緊湊選擇。 BD9x 系列采用簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)，減少了組件數(shù)量，從而節(jié)省了空間并簡(jiǎn)化了制造流程。它們的低待機(jī)電流可延長(zhǎng)便攜式應(yīng)用中的電池壽命，同時(shí)保持穩(wěn)定的輸出電壓以實(shí)現(xiàn)可靠的性能，例如[BD9A201FP4-LBZTL]降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器（圖 1）。

圖 1：BD9A201FP4-LBZTL 降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器提供穩(wěn)定的輸出電壓。 （圖片來(lái)源：羅姆半導(dǎo)體）

[BD9E105FP4-ZTL]降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器（圖 2）具有單個(gè)可調(diào)輸出，是一款專(zhuān)為較低電壓需求而設(shè)計(jì)的直流穩(wěn)壓器。 BD9E105FP4-ZTL 穩(wěn)壓器采用低導(dǎo)通電阻功率 MOSFET 和單個(gè)同步降壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，可在輕負(fù)載條件下提供最高效率。這對(duì)于需要最低待機(jī)功耗的裝置和設(shè)備來(lái)說(shuō)是理想的選擇。

它具有良好的瞬態(tài)響應(yīng)，在 PCB 上占用空間小，同時(shí)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(shè)備、適配器和二次電源設(shè)備等家用電器產(chǎn)品。

圖 2：BD9E105FP4-ZTL 降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器可以滿(mǎn)足較低的電壓需求。 （圖片來(lái)源：羅姆半導(dǎo)體）

升壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器

[MP3414AGJ-Z]升壓開(kāi)關(guān)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(yīng)用。它能夠在 -40°C ~ +125°C 的溫度范圍內(nèi)輕松運(yùn)行，并且可以從低至 1.8 V 的輸入電壓開(kāi)始工作，同時(shí)提供浪涌電流和輸出短路保護(hù) (SCP)。

當(dāng)需要具有輸出斷開(kāi)功能的升壓轉(zhuǎn)換器時(shí)，必須能夠在同步電流模式下運(yùn)行，同時(shí)保持高效率。此外，無(wú)需外部肖特基二極管，因?yàn)榧?P 溝道同步整流器提高了效率。 MP3414A 關(guān)閉時(shí)的輸出斷開(kāi)功能允許完全放電，同時(shí)在關(guān)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(kāi)關(guān)頻率，允許使用更小的外部組件，同時(shí)其軟啟動(dòng)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(fù)載范圍。此外，集成功率MOSFET支持3A以上的峰值開(kāi)關(guān)電流，輸出達(dá)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(yīng)用。無(wú)線外設(shè)、游戲配件、個(gè)人醫(yī)療設(shè)備和便攜式媒體播放器都受益于 MP3414A 等升壓轉(zhuǎn)換器。

該技術(shù)發(fā)展迅速，并且變得越來(lái)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(shè)計(jì)得越來(lái)越小，像 TSOT23 這樣的封裝類(lèi)型的小型化是必要的。 （圖片來(lái)源：羅姆半導(dǎo)體）

最大限度地提高效率，同時(shí)降低功耗

小型化的需求是持續(xù)的驅(qū)動(dòng)力，同時(shí)還需要保持可靠性和功率效率。[BD9E202FP4-ZTL] 降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器以緊湊的設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，能夠以更小、更緊湊的設(shè)計(jì)提供可靠的電源。 （圖片來(lái)源：羅姆半導(dǎo)體）

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

通過(guò)提供低待機(jī)電流，電池供電的設(shè)備在閑置時(shí)可以從最低的功耗中受益。此外，通過(guò)恒定的導(dǎo)通時(shí)間控制可以實(shí)現(xiàn)輕負(fù)載期間的高效運(yùn)行。

圖 5：設(shè)計(jì)人員尋找能夠高效可靠地提供服務(wù)的高效 DC/DC 降壓轉(zhuǎn)換器。 （圖片來(lái)源：羅姆半導(dǎo)體）

AC/DC 和 DC/DC 反激式轉(zhuǎn)換器

反激轉(zhuǎn)換器是一種包含反激變壓器的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。它可用于 AC/DC 和 DC/DC 轉(zhuǎn)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(shì)。

隔離式電源轉(zhuǎn)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(yīng)占主導(dǎo)地位，以確保操作時(shí)的穩(wěn)定性。

降壓-升壓 DC-DC 轉(zhuǎn)換器

輸出電壓幅度大于或小于輸入電壓的典型 DC-DC 轉(zhuǎn)換器是降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。產(chǎn)生負(fù)電壓也是可能的。它類(lèi)似于反激式轉(zhuǎn)換器，但它不使用變壓器，而是使用單個(gè)電感器。具體來(lái)說(shuō)，降壓-升壓轉(zhuǎn)換器由兩種不同的拓?fù)浣M成，兩種拓?fù)涠籍a(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(shí)被稱(chēng)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(zhuǎn)換器。

結(jié)論

如果沒(méi)有開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，當(dāng)今汽車(chē)和工業(yè)設(shè)計(jì)的高效電源轉(zhuǎn)換就無(wú)法發(fā)揮作用。隨著當(dāng)今的設(shè)計(jì)變得更加緊湊，對(duì)保持一致功率水平的多功能、高效組件的需求從未如此強(qiáng)烈。

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

審核編輯 黃宇