线性稳压与开关模式电源的优缺点
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日常电子设备，尤其是那些带有集成电路的电子设备，需要一个可靠的直流电压源，该电压源可以随时供电而不会出现任何故障。在本博客中，我们将探讨两种电源设计拓扑，以便为您的下一个项目考虑线性稳压和开关电源。您选择的电源最终取决于您对效率、空间、输出调节、瞬态响应时间和成本的要求。 线性稳压电源 直到 1970 年代，线性稳压器一直是电子设备的首选电源，用于将交流电 (AC) 转换为稳定的直流电 (DC)。虽然这种电源类型在今天并不普遍使用，但对于需要最小噪声和纹波的应用来说，它仍然是最佳选择。
它们可能很笨重，但线性稳压电源是无噪声的。（图片来源） 他们是如何工作的 使线性稳压器发挥作用的主要部件是钢制或铁制变压器。该变压器提供两个功能： 它充当将高压交流输入与低压直流输入分开的屏障，它还滤除任何进入输出电压的噪声。它将交流输入从 115V/230V 降低到大约 30V，然后可以转换为稳定的直流电压。交流电压首先由变压器降低，然后由几个二极管整流。然后通过一对大电解电容器将其平滑成低直流电压。然后使用晶体管或集成电路将这个低直流电压调节为稳定的输出电压。
这是一个带有线性稳压器的电源。（图片来源） 线性电源中的稳压器充当可变电阻器。这允许输出电阻值改变以匹配输出功率要求。由于电压调节器不断地抵抗电流以维持电压，因此它还充当了功率耗散装置。这意味着有用的功率不断以热量的形式损失，以保持电压水平恒定。 变压器已经是印刷电路板 (PCB) 上的一个大型组件。由于恒定的功率和散热，线性稳压器电源将需要一个散热器。与开关电源的小尺寸相比，这两个组件单独增加了一个非常笨重的设备。 首选应用 线性稳压器以其低效率和大尺寸而闻名，但它们确实提供了无噪声的输出电压。这使得它们非常适合任何需要高频和低噪声的设备，例如： 控制电路低噪声放大器信号处理器自动化和实验室测试设备数据采集传感器和电路 优点缺点 线性稳压电源可能体积庞大且效率低下，但它们的低噪声非常适合对噪声敏感的应用。此拓扑需要考虑的一些优点和缺点包括： 优点 简单的应用程序。线性稳压器可以作为一个完整的封装实现，并添加到一个只需要两个额外滤波电容器的电路中。这使任何技能水平的工程师都可以轻松地从头开始进行规划和设计。成本低。如果您的设备需要小于 10W 的功率输出，那么与开关电源相比，组件和制造成本要低得多。低噪音/纹波。线性稳压器具有非常低的输出电压纹波和高带宽。这使得它们非常适合任何对噪声敏感的应用，包括通信和无线电设备。 缺点 灵活性有限。线性稳压器只能用于降压。对于 AC-DC 电源，需要在线性电源之前放置一个具有整流和滤波功能的变压器，这将增加总体成本和工作量。有限的产出。线性稳压电源仅提供一种输出电压。如果您需要更多，那么您需要为每个所需的输出添加一个单独的线性稳压器。效率低下。由于散热，平均线性稳压器件可实现 30%-60% 之间的效率。它还需要添加散热器，这会增加设备的尺寸和重量。在节能设备的今天，线性稳压电源的低效率等级可能会成为交易杀手。对于 24V 输出，正常的线性稳压电源将以大约 60% 的效率运行。当您考虑 100W 输入时，您会看到 40W 的功率损失。 在考虑使用线性稳压电源之前，我们强烈建议您考虑从输入到输出的功率损耗。您可以使用以下公式快速估算线性稳压器的效率：
开关模式电源 (SMPS) 开关电源于 1970 年代推出，并迅速成为为电子设备提供直流电源的最流行方式。是什么让他们如此伟大？与线性稳压器相比，它们的高效率和性能脱颖而出。
您的典型交流适配器包括一个开关模式电源。（图片来源） 他们是如何工作的 开关模式电源通过脉宽调制 (PWM) 调节输出电压。这个过程会产生高频噪声，但它以小尺寸提供了高效率等级。当插入交流电源时，115V 或 230VAC 首先由一组二极管和电容器整流和平滑，从而提供高压直流。然后使用小型铁氧体变压器和一组晶体管降低此高直流电压。降压过程仍保持 200kHz 至 500kHz 之间的高开关频率。 低直流电压最终通过另一组二极管、电容器和电感器转换为稳定的直流输出。保持输出电压一致所需的任何调节都是通过调整高频波形的脉冲宽度来处理的。该调节过程通过反馈电路工作，该反馈电路不断监测输出电压并根据需要控制 PWM 信号的开关比。
这是一个开关模式电源，其部件比线性稳压电源多一吨。（图片来源） 首选应用 您经常会发现开关电源用于电池寿命和温度很重要的应用，例如： 电解、废物处理或燃料电池应用直流电机、槽车、航空和船舶应用研发、制造、检测设备用于航空和车辆的锂离子电池的电池充电电镀、阳极氧化和电铸工艺 优点缺点 开关电源的效率可能高于线性稳压器，但它们的噪声使它们成为无线电和通信应用的糟糕选择。此拓扑需要考虑的一些优点和缺点包括： 优点 外形小巧。SMPS 中的降压变压器以高频率工作，这反过来又减小了其体积和重量。这使得开关电源的外形尺寸比线性稳压器小得多。效率高。开关电源中的电压调节是在不耗散过多热量的情况下进行的。SMPS 效率可高达 85%-90%。灵活的应用。可以向开关电源添加额外的绕组以提供多个输出电压。变压器隔离的 SMPS 还可以提供独立于输入电压的输出电压。 缺点 复杂的设计。与线性稳压器相比，开关电源的规划和设计通常留给电源专家。如果您打算在没有仔细研究或经验的情况下自行设计电源，这不是最好的电源选择。高频噪声。开关电源中 MOSFET 的开关操作会在输出电压中提供高频噪声。这通常需要在噪声敏感设备中使用射频屏蔽和 EMI 滤波器。成本较高。对于 10W 或更低的较低功率输出，使用线性稳压电源更便宜。开关电源将继续存在，并且是对噪声不敏感的应用的首选电源。这包括手机充电器、直流电机等设备。 线性稳压器与 SMPS 比较 我们现在将看看线性稳压电源和开关电源之间的最终比较。您需要考虑的一些最重要的要求，包括尺寸/重量、输入电压范围、效率等级和噪声水平等因素。以下是它的分解方式： 如何设计您自己的 解释如何设计线性稳压或开关模式电源超出了本博客的范围。但是，我们想分享一些可用的指南。请记住，SMPS 设计需要高度复杂性，不建议电子设计初学者使用。 开机现在大多数电子设备都需要将交流电源转换为稳定的直流电压输出。为此目标需要考虑两种拓扑，即线性稳压电源和开关模式电源。线性稳压非常适合需要低噪声的应用，而开关电源更适合电池寿命和效率很重要的手持设备。在决定选择何种拓扑结构时，请始终考虑您所需的效率等级、外形尺寸、输出调节和噪声要求。准备好设计您的第一个线性稳压或开关模式电源了吗？立即免费试用 Autodesk EAGLE！ 相关阅读干式变压器的温度正常范围是多少1、正常工作的干式变压器 温度达到95度，就已经算是较高的了。不能再增加负载了。低压设备一般要求温升不要超过60度（即：环境温度 60度）。温度过高会加速设备绝缘老化，缩短使...
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