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线性和开关稳压器
线性和开关稳压器
稳压器是大多数电子硬件产品的重要组成部分。稳压器的功能是在稳压器的输出端提供稳定的电压，而输入电压可以是可变的。
稳压器（以及电池充电器）大致可分为线性稳压器或开关稳压器。由于线性稳压器更容易理解，我们将从它们开始，然后转向更复杂的开关稳压器。
线性稳压器
线性稳压器可以被认为是可变电阻设备，其内部电阻会发生变化以保持恒定的输出电压。实际上，可变电阻是通过放大器反馈回路控制的晶体管提供的。
线性稳压器通常至少由三个引脚组成——一个输入输入、一个输出引脚和一个接地引脚。
外部电容器放置在输入和输出端子上以提供滤波并改善对突然负载变化的瞬态响应。电压调节器反馈回路的稳定性也需要输出电容器。
流经稳压器的电流量以及器件中耗散的功率量将影响器件封装选择和散热器要求。
线性稳压器的效率远低于开关稳压器，因此会浪费更多以热量形式散发的功率。
如果器件的功耗超过 100 mW，建议进行更彻底的热分析，考虑最大工作温度和 IC 封装（称为 Theta-JA）的热阻。
如果稳压器规定的 theta-JA 为 50C/W，则意味着 IC 温度本身（称为结温）会随着每瓦特功率的消耗而升高 50C。
大多数 IC 的额定结温高达 125C。因此，例如，如果具有 50C/W 的 theta-JA 的稳压器耗散 1W，那么它可以使用的最高环境温度将为 125C – 50C = 75C。
线性稳压器要求输入电压高于输出电压。输入和输出之间的最小电压电平差称为压差电压。对于普通的线性稳压器，压降约为 2 伏。
低压差 (LDO) 稳压器可调节至低于 100mV。然而，它们抑制输入电源上的噪声和纹波的能力将显着降低到约 500mV 以下。
对于大多数应用，如果输入电压不超过输出电压几伏，则线性稳压器或更具体地说是 LDO 稳压器更有意义。
否则，稳压器会浪费太多功率，而更高效的开关稳压器是更好的选择。
线性稳压器具有三个主要优点。它们简单、便宜，并提供异常“干净”的电压输出。
开关稳压器通过暂时储存能量然后将储存的能量以不同的电压释放到输出，将一种电压转换为另一种电压。
术语 DC 到 DC 转换器、开关模式电源 (SMPS)、开关稳压器和开关转换器都是指同一事物。它们通过控制固态设备（如晶体管或二极管）来操作，其作用类似于开关。
开关中断流向能量存储组件（例如电容器或电感器）的电流，以便将一种电压转换为另一种电压。
降压转换器可以将输入上的较高电压降压到输出上的较低电压。这类似于线性稳压器，但降压稳压器会浪费更少的功率。
如果输入电压远高于所需的输出电压，降压稳压器通常比线性稳压器更可取。
升压（升压）开关稳压器
升压转换器能够在输出端产生比输入端更高的电压。例如，升压转换器可用于从单个 3.7VDC 锂离子电池产生 5VDC 或 12VDC。
降压/升压（降压/升压）开关稳压器
正如您可能已经猜到的那样，降压/升压转换器能够从可以在输出电压上下变化的输入电压中提供固定的输出电压。
这种类型的稳压器在电池供电的设备中非常有用，其中输入电压会随着时间的推移而降低。
最基本的拓扑结构只是上面的降压转换器电路，然后是升压转换器电路。两个电感最终串联，因此可以组合成一个电感。
稳压器常用规格汇总
无论稳压器是线性稳压器还是开关模式稳压器，设计人员都需要对表征稳压器性能的参数有基本的了解。
输出电压：输出电压可固定或可调。如果是固定的，则电压在设备内部设置，您可以购买所需输出电压的特定部件号。
如果稳压器是可调型，电压通常由两个电阻组成的分压器来设置。这提供了一些灵活性，但以额外组件为代价。
输入电压：需要严格遵守规定的最小和最大输入电压。它们在最低电压以下根本无法工作，如果在最高电压以上工作，它们就会损坏。
电流输出：电压调节器可以提供的最大电流是有限的，通常由内部功率晶体管的载流能力决定。所有 IC 稳压器解决方案都包含一个内置的电流限制电路，以防止损坏。
输出纹波或电源抑制比 (PSRR)：输出纹波是指输出电压的微小变化。考虑输出电压中的纹波量非常重要，因为许多类型的电路对其输入电源上的任何噪声都很敏感。
线性稳压器抑制输入纹波而不增加额外的纹波。它们抑制纹波的能力由电源抑制比 (PSRR) 指定。PSRR 越高，线性稳压器在抑制输入电压上的任何纹波方面就越好。
另一方面，开关稳压器因其开关特性而产生输出纹波。开关转换器的纹波量可以通过过滤和仔细选择组件来减少。
一种常见的设计技术是使用开关稳压器以最小功耗降低电源电压，然后使用线性稳压器去除任何纹波。
许多低噪声、高 PSRR 线性稳压器具有一个额外的引脚，通常称为 NR 引脚或降噪引脚。在此引脚上放置一个大约 10nF 的电容器接地有助于滤除内部参考电压上的噪声和纹波，从而滤除输出电压。
噪声：许多电子元件，例如电阻器和晶体管，也会产生基本的物理噪声，通常与纹波混淆。噪声将显示为输出电压的随机波动，而纹波将显示为小的周期性波形。
虽然与纹波无关，但降低输出纹波的相同技术通常也会降低噪声——主要是使用降噪电容器。
负载调节：负载调节是指调节器在负载电流变化时保持输出电压稳定的能力。该规格通常在器件数据表中作为输出电压与负载电流的关系图提供。
负载瞬态：这是输出电压如何响应负载电流的突然阶跃变化的量度。通常，当稳压器电路尝试恢复并提供稳定的输出电压时，输出电压会出现小的过冲或下冲。
线路调节：稳压器输入电压的变化会导致输出电压的变化，而线路调节是这种变化的衡量标准。
线路瞬态：这是输出电压如何响应输入电压的突然阶跃变化的量度。与负载瞬变一样，当稳压器的反馈环路对突然变化做出响应时，输出电压会出现小的过冲或下冲。具有高 PSRR 规格（即低输出纹波）的稳压器通常具有最佳的线路瞬态性能。
压降： LM317 或 LM78xx 系列等经典线性稳压器的压降约为 2 伏。这意味着输入电压必须至少比输出电压高 2 伏，稳压器才能工作。
低压差 (LDO) 稳压器可以在输入到输出电压差小得多的情况下工作。例如，TPS732 系列低压差稳压器的电压输入范围为 1.7 至 5.5 伏，250 mA 时的压差为 40mV。
效率：效率是衡量调节器浪费了多少功率的指标。如前所述，线性稳压器比开关稳压器浪费更多的功率。这意味着线性稳压器的效率要低得多。可以通过将输出功率除以输入功率来计算效率。
因此，如果输出功率与输入功率相同，则效率为 100%，稳压器不会浪费任何功率。这是理想但无法实现的场景。大多数开关稳压器的效率在 80-90% 之间。
线性稳压器的效率随输入电压与输出电压的比率而变化。这是因为对于线性稳压器，输入电流始终与输出电流基本相同。
由于功率等于电压乘以电流，效率方程中的电流抵消了只留下电压。这意味着输入电压和输出电压之间的差异越大，线性稳压器的效率就越差。
例如，对于具有 5VDC 输入电压和 3.3VDC 输出电压的线性稳压器，效率为：
效率 = 3.3VDC / 5VDC = 66%
但是如果输入电压增加到 12VDC，效率会下降到
效率 = 3.3VDC / 12VDC = 27.5%
这意味着 72.5% 的功率被线性稳压器浪费了！
低压差稳压器的主要优点是它们允许输出电压非常接近输入电压，这意味着稳压器的效率要高得多。
例如，如果从 3.7VDC 锂离子电池产生 3.3VDC 输出电压，则需要压降小于 400mV 的 LDO。在这些电压下，效率为 3.3VDC / 3.7VDC = 89%，与高效降压稳压器相当。
与线性稳压器不同，理想的开关稳压器的效率为 100%，这意味着输入功率等于输出功率。这意味着输入电流永远不会与输出电流相同。
事实上，降压稳压器的输入电流总是小于输出电流，而升压稳压器的输入电流总是高于输出电流。
输出电容器：输出电容器的大小对于线性稳压器和开关稳压器都至关重要，因此请务必遵循数据表中的建议。在大多数情况下，陶瓷电容器（具有 X7R 或 X5R 热额定值）是最佳选择。
陶瓷电容器具有非常低的寄生电阻（称为等效串联电阻或 ESR），通常可以改善稳压器的瞬态响应。不过要小心，因为一些稳压器需要使用具有更高 ESR 的钽电容器以稳定反馈控制回路。
电磁干扰 (EMI)
使用开关模式电源进行设计时的一个问题是潜在的电磁干扰 (EMI)。
有源器件的开关动作可以在数百千赫兹到几兆赫兹的频率范围内产生广泛的辐射。这些发射可以传导和辐射到附近的设备，造成有害干扰甚至自干扰。
请注意，开关稳压器的 PCB 布局非常重要，比线性稳压器重要得多。所以一定要严格遵循数据表中的布局指南。
如果您选择的开关稳压器的数据表中没有提供布局指南，那么我强烈建议您选择不同的稳压器。
结论
当功率效率不是问题时，或者当输入电压仅略高于输出电压时，最佳选择通常是线性稳压器。线性稳压器通常更便宜、更简单，并且需要的组件更少。
如果需要真正干净、无纹波的输出电压，那么线性稳压器也是最佳选择。
另一方面，如果功率效率是一个关键问题，或者输入电压远高于所需的输出电压，那么降压开关转换器是更好的选择。
如果需要高于输入电压的输出电压，那么选择很容易——只有升压稳压器可以执行该技巧。
与工程的所有方面一样，各种解决方案之间总是存在权衡。很多时候最好的解决方案是一个开关稳压器，然后是一个线性稳压器。通过这种方式，您可以获得两全其美：效率和超级干净的输出电压。