線性穩(wěn)壓器與開關(guān)穩(wěn)壓器的選擇分析

在最基本的術(shù)語(yǔ)中，降壓調(diào)節(jié)器接收輸入電壓并將其轉(zhuǎn)換為負(fù)載所需的較低電壓。有兩種主要類型的電壓調(diào)節(jié)器，線性和開關(guān)。線性穩(wěn)壓器通過吸收輸入和輸出之間的能量差來(lái)工作，同時(shí)開關(guān)穩(wěn)壓器切斷輸入電壓，然后平均斬波電壓以提供適當(dāng)?shù)妮敵鲭妷骸?/p>

一個(gè)靠近的穩(wěn)壓器一個(gè)或多個(gè)為其供電的設(shè)備通常被稱為負(fù)載點(diǎn)調(diào)節(jié)器。這種類型的穩(wěn)壓器通常從PCB上包含的電壓總線接收其輸入。

在評(píng)估特定應(yīng)用的電源時(shí)，應(yīng)考慮幾個(gè)參數(shù)。

靜態(tài)電流 - 當(dāng)IC不是源電流時(shí)IC消耗的電流量它的輸入不是循環(huán)的。

效率 - 定義為穩(wěn)壓器電路的功率與穩(wěn)壓器輸出功率之比。功率輸入包括靜態(tài)電流，寄生元件引起的損耗和傳遞給負(fù)載的功率。

等效串聯(lián)電阻 - 穩(wěn)壓器電路中使用的電容器的電阻元件。需要注意輸出電容器的ESR。

循環(huán) - 定義為影響調(diào)節(jié)器輸出和穩(wěn)定性的所有元素。這包括功率級(jí)，誤差放大器，調(diào)制器和補(bǔ)償電路等模塊。

此外，如圖1所示，與電源相關(guān)的其他幾個(gè)規(guī)格也會(huì)影響它們的工作。

TJ-MAX - 允許IC中的結(jié)點(diǎn)達(dá)到的最高允許溫度。

TA - 定義為調(diào)節(jié)器附近空氣的環(huán)境溫度。

RTHETA-JA - 從結(jié)到環(huán)境的熱阻。這包括結(jié)到外殼，外殼到PCB和PCB到空氣的熱阻。

VFB - 用于設(shè)置輸出電壓的反饋電壓。 R1和R2創(chuàng)建一個(gè)電阻分壓器，從VOUT形成VFB。誤差放大器用于保持VFB等于VREF。

圖1：電壓調(diào)節(jié)器定義。

通常使用線性穩(wěn)壓器，因?yàn)樗鼈兊囊子谑褂?，通常具有非常低的元件?shù)要求。這種類型的穩(wěn)壓器相當(dāng)于一個(gè)可調(diào)電阻，它將VIN降至VOUT并試圖保持VOUT恒定。以下是線性穩(wěn)壓器中要查找的關(guān)鍵參數(shù)列表：

壓差電壓 - 這是VOUT上方維持正確調(diào)節(jié)所需的最小電壓。

低壓差（LDO） - 這是一種在VDROPOUT非常小時(shí)起作用的穩(wěn)壓器。

穩(wěn)定區(qū)域 - 線性穩(wěn)壓器的區(qū)域，輸出將保持穩(wěn)定。它適用于不同的輸出電容，取決于輸出電容的ESR。

PD-MAX - 器件可以消耗的最大功率由下式給出。它被定義為TJ-MAX和TAMBIENT的差值除以RTHETA-JA。通過組合和重新排列功耗公式，可以確定最大允許輸出電流是多少。

線性穩(wěn)壓器可分為集成或離散（如圖2所示） 。集成的線性穩(wěn)壓器具有集成在封裝中的通路元件。離散解決方案具有外部傳遞元件。對(duì)于分立或集成調(diào)節(jié)器，可以或可以不集成反饋組件。 SC339是分立線性穩(wěn)壓器的一個(gè)例子。 SC4215H是集成線性穩(wěn)壓器的一個(gè)示例。

圖2：集成與離散線性穩(wěn)壓器。

如圖3所示，VIN定義為3.3 V，VOUT定義為2.5 V.我們首先選擇R2為10kΩ。根據(jù)數(shù)據(jù)表中的計(jì)算R1和使用0.5 V VREF的公式，我們得出R1所需的40kΩ值。我們將TAMBIENT定義為50°C。從數(shù)據(jù)表中，我們發(fā)現(xiàn)TJ-MAX的值定義為125°C，RTHETA-JA定義為36°C/Watt。使用這些值，我們可以計(jì)算出最大可用輸出電流，即2.6 A。

圖3：線性穩(wěn)壓器示例 - SC4216H。

數(shù)據(jù)表規(guī)定每安培輸出電流需要10μF才能防止輸入到調(diào)節(jié)器下垂。要支持上一張幻燈片計(jì)算的全部電流，至少需要26μF。由于電容容差，應(yīng)選擇最小33μF的電容。除了大容量電容外，建議將4.7μF陶瓷直接放置在穩(wěn)壓器的VIN引腳旁邊。對(duì)于輸出，建議使用每安培輸出電流10μF的相同規(guī)則。這將導(dǎo)致輸出使用相同的33μF值。重要的是要觀察輸出電容的ESR，以確保不輸入不穩(wěn)定區(qū)域。雖然沒有給出33μF電容的圖表，但我們可以在給出的兩個(gè)圖形之間進(jìn)行插值，并使用5mΩESR來(lái)保持穩(wěn)定性。還建議在VOUT引腳旁邊使用0.1μF電容。

降壓穩(wěn)壓器將較高的VIN轉(zhuǎn)換為較低的VOUT，如圖4所示。控制器定期打開和關(guān)閉開關(guān)S以進(jìn)行連接VIN和地之間的相節(jié)點(diǎn)。然后在相位節(jié)點(diǎn)處看到的波形通過電感和電容濾波，為負(fù)載提供平滑的電壓。

圖4：降壓穩(wěn)壓器。

當(dāng)開關(guān)S閉合且開關(guān)S斷開時(shí)，降壓調(diào)節(jié)器有兩種不同的狀態(tài)（如圖5所示）。當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，VIN為電感和電容充電并提供輸出電流。當(dāng)開關(guān)打開時(shí)，電感器中的磁場(chǎng)坍塌并使電感器兩端的電壓改變極性。極性的這種變化將相位節(jié)點(diǎn)拉到地下，正向偏置二極管。這允許電流繼續(xù)流動(dòng)，因?yàn)殡姼衅魈峁┴?fù)載所需的電流。

圖5：基本降壓穩(wěn)壓器狀態(tài)。

如前所述，隨著電感器磁場(chǎng)的坍塌，二極管變?yōu)檎蚱?。這種情況在沒有任何時(shí)鐘參考的情況下發(fā)生，并且被稱為異步調(diào)節(jié)器。所使用的二極管的VF代表異步調(diào)節(jié)器內(nèi)的很大一部分損耗，特別是當(dāng)VF的值接近VOUT的值時(shí)。通過用另一個(gè)MOSFET替換二極管，可以降低系統(tǒng)中的損耗。這需要更復(fù)雜的控制器，以確保MOSFET不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通。由于底部MOSFET現(xiàn)在受到控制，因此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)稱為同步穩(wěn)壓器。 S1也稱為頂部FET或高側(cè)FET。 S2也稱為底部FET或低側(cè)FET。異步和同步降壓穩(wěn)壓器之間的比較如圖6所示。

圖6：異步與同步降壓調(diào)節(jié)器。

圖7中的波形與降壓穩(wěn)壓器相關(guān)聯(lián)。 DH是高側(cè)FET的控制信號(hào)。當(dāng)控制器接通高側(cè)FET時(shí)，電流會(huì)在開關(guān)中上升。同時(shí)，電感中的電流也會(huì)升高，相位節(jié)點(diǎn)的電壓達(dá)到VIN。當(dāng)高側(cè)開關(guān)關(guān)閉時(shí)，電感和低側(cè)FET中的電流都會(huì)下降，相節(jié)點(diǎn)的電壓會(huì)被拉至地。

然后，VPHASE的信號(hào)被濾除。形成VOUT。

高端FET導(dǎo)通的時(shí)間定義為tON。高側(cè)FET關(guān)斷的時(shí)間定義為tOFF。 tON加tOFF的時(shí)間定義為T或總循環(huán)時(shí)間。

圖7：基本降壓穩(wěn)壓器波形。

降壓調(diào)節(jié)器可進(jìn)一步分為兩類（如圖8所示） ），集成穩(wěn)壓器和開關(guān)控制器。集成開關(guān)穩(wěn)壓器將FET構(gòu)建到封裝或硅中。開關(guān)控制器要求開關(guān)位于IC外部。

圖8：集成開關(guān)穩(wěn)壓器與開關(guān)控制器。

只要在設(shè)計(jì)中添加反饋網(wǎng)絡(luò)，就可以使用除提供的固定選項(xiàng)之外的電壓。當(dāng)要求除標(biāo)準(zhǔn)固定電壓以外的電壓時(shí)，建議使用1 V SC189。由于內(nèi)部補(bǔ)償，必須在反饋網(wǎng)絡(luò)的頂側(cè)使用電容器以保持穩(wěn)定性。已經(jīng)討論了計(jì)算電容器的公式。 VOUT是所需的輸出電壓，VOSTD是SC189的電壓，沒有反饋網(wǎng)絡(luò)。反饋電阻通過圖9中的公式計(jì)算。當(dāng)使用推薦的SC189A時(shí)，公式中使用的VREF是器件的VOSTD或1 V。

圖9：反饋電阻計(jì)算公式。

總之，使用線性穩(wěn)壓器的最佳時(shí)間是系統(tǒng)中的噪聲不能容忍或者VIN和VOUT差異是小。使用開關(guān)穩(wěn)壓器的最佳時(shí)間是VIN和VOUT之間的差異很大。此外，當(dāng)效率很重要且涉及大電流時(shí)，最好使用開關(guān)穩(wěn)壓器。 Semtech有線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器的多種選擇。