稳压器种类及工作原理
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稳压器如何工作？ 稳压器是一种电路，它产生并保持固定的输出电压，而与输入电压或负载条件的变化无关。 稳压器 (VR) 将来自电源的电压保持在与其他电气组件兼容的范围内。虽然稳压器最常用于 DC/DC 电源转换，但有些也可以执行 AC/AC 或 AC/DC 电源转换。本文将重点介绍 DC/DC 稳压器。 稳压器的类型：线性与开关 稳压器有两种主要类型：线性和开关。这两种类型都可以调节系统的电压，但线性稳压器以低效率运行，而开关稳压器以高效率运行。在高效率开关稳压器中，大部分输入功率无耗散地传输到输出端。 线性稳压器 线性稳压器采用有源传输器件（例如 BJT 或 MOSFET），由高增益运算放大器控制。为了保持恒定的输出电压，线性稳压器通过将内部电压参考与采样的输出电压进行比较来调整通过器件的电阻，然后将误差驱动为零。 线性稳压器是降压转换器，因此根据定义，输出电压始终低于输入电压。然而，这些稳压器具有一些优点：它们通常易于设计、可靠、具有成本效益，并且提供低噪声和低输出电压纹波。 线性稳压器，只需要一个输入和输出电容器即可工作（见图 1）。它们的简单性和可靠性使它们对工程师来说是直观和简单的设备，并且通常具有很高的成本效益。
图 1：线性稳压器 开关稳压器 开关稳压器电路的设计通常比线性稳压器更复杂，并且需要选择外部元件值、调整控制环路以实现稳定性以及仔细的布局设计。 开关稳压器可以是降压转换器、升压转换器或两者的组合，这使得它们比线性稳压器更通用。 开关稳压器的优点包括效率高、热性能更好，并且可以支持更高电流和更宽的 VIN/VOUT 应用。根据应用要求，它们可以实现超过 95% 的效率。与线性稳压器不同，开关电源系统可能需要额外的外部组件，例如电感器、电容器、FET 或反馈电阻器。HF920 是提供高可靠性和高效功率调节的开关稳压器示例（参见图 2）。
稳压器的局限性 线性稳压器的主要缺点之一是效率低下，因为它们在某些用例中会消耗大量功率。线性稳压器的电压降与电阻器两端的电压降相当。例如，输入电压为 5V，输出电压为 3V，端子之间有 2V 的压降，效率被限制在 3V/5V (60%)。这意味着线性稳压器最适合具有较低 VIN/VOUT 差值的应用。 在应用中考虑线性稳压器的估计功耗很重要，因为使用较大的输入电压会导致高功耗，从而导致过热和损坏组件。 线性稳压器的另一个限制是它们只能进行降压（降压）转换，而开关稳压器也提供升压（升压）和降压-升压转换。 开关稳压器的效率很高，但也有一些缺点，包括它们的成本效益通常低于线性稳压器、尺寸更大、更复杂，并且如果不仔细选择外部元件会产生更多噪声。噪声对于给定的应用可能非常重要，因为噪声会影响电路操作和性能，以及 EMI 性能。 开关稳压器拓扑：降压、升压、线性、LDO 和可调 线性和开关稳压器有多种拓扑结构。线性稳压器通常依赖低压差 (LDO) 拓扑。对于开关稳压器，有三种常见的拓扑结构：降压转换器、升压转换器和升降压转换器。每种拓扑描述如下： LDO 稳压器 一种流行的线性稳压器拓扑是低压差 (LDO) 稳压器。线性稳压器通常要求输入电压至少比输出电压高 2V。然而，LDO 稳压器设计为在输入和输出端子之间非常小的电压差下运行，有时低至 100mV。 降压和升压转换器 降压转换器（也称为降压转换器）采用较大的输入电压并产生较低的输出电压。相反，升压转换器（也称为升压转换器）采用较低的输入电压并产生较高的输出电压。 降压-升压转换器 降压-升压转换器是一种单级转换器，它结合了降压和升压转换器的功能，可在可大于或小于输出电压的宽输入电压范围内调节输出。 稳压器控制 线性稳压器的四个基本组件是传输晶体管、误差放大器、电压基准和电阻反馈网络。误差放大器的一个输入由两个电阻器（R1 和 R2）设置，以监控输出电压的百分比。另一个输入是稳定的电压基准 (VREF)。如果采样输出电压相对于 VREF 发生变化，则误差放大器会改变传输晶体管的电阻以保持恒定的输出电压 (VOUT)。 线性稳压器通常只需要一个外部输入和输出电容器即可运行，使其易于实施。 另一方面，开关稳压器需要更多组件来创建电路。功率级在 VIN 和接地之间切换，以创建电荷包以传送到输出。与线性稳压器类似，运算放大器对来自反馈网络的直流输出电压进行采样并将其与内部电压基准进行比较。然后对误差信号进行放大、补偿和滤波。该信号用于调制 PWM 占空比，以将输出拉回调节状态。例如，如果负载电流迅速增加并导致输出电压下降，则控制环路会增加 PWM 占空比以向负载提供更多电荷并使电源轨重新进入稳压状态。 线性和开关稳压器应用 线性稳压器通常用于成本敏感、噪声敏感、低电流或空间受限的应用中。一些示例包括消费电子产品，例如耳机、可穿戴设备和物联网 (IoT) 设备。例如，助听器等应用可以使用线性稳压器，因为它们没有会产生不需要的噪声并干扰设备性能的开关元件。 此外，如果设计人员主要对创建低成本应用感兴趣，他们不必担心功耗，而可以依赖线性稳压器。 开关稳压器有利于更通用的应用，尤其适用于需要效率和性能的应用，例如消费类、工业、企业和汽车应用。例如，如果应用需要大型降压解决方案，则开关稳压器更适合，因为线性稳压器会产生高功耗，从而损坏其他电气元件。 稳压器IC的基本参数是什么？ 使用稳压器时要考虑的一些基本参数是输入电压、输出电压和输出电流。这些参数用于确定哪种 VR 拓扑与用户的 IC 兼容。 其他参数（包括静态电流、开关频率、热阻和反馈电压）可能与应用相关。 当轻负载或待机模式下的效率是优先事项时，静态电流很重要。当考虑开关频率作为参数时，最大化开关频率会导致更小的系统解决方案。 此外，热阻对于从设备中带走热量并将其散发到整个系统中至关重要。如果控制器包含一个内部 MOSFET，则所有损耗（传导和动态）都消散在封装中，并且在计算 IC 的最高温度时必须加以考虑。 反馈电压是另一个需要检查的重要参数，因为它决定了稳压器可以支持的最低输出电压。查看电压参考参数是标准的。这限制了较低的输出电压，其精度会影响输出电压调节的精度。 如何选择合适的稳压器 要选择合适的稳压器，设计人员必须首先了解其关键参数，例如 VIN、 VOUT、 IOUT、系统优先级（例如效率、性能、成本）以及任何其他关键特性，例如电源良好 (PG)指示或启用控制。 一旦设计人员定义了这些要求，就可以使用参数搜索表来找到满足所需要求的最佳器件。参数搜索表对设计人员来说是一种有价值的工具，因为它提供了不同的功能和包，可以满足您应用程序所需的参数。 每个 MPS 器件都附带一个数据表，其中详细说明了需要哪些外部部件，以及如何计算它们的值以实现高效、稳定和高性能的设计。数据表可用于计算组件值，例如输出电容、输出电感、反馈电阻和其他关键系统组件。 |
