穩(wěn)壓器是如何工作的？

穩(wěn)壓器是這樣一種電路：無論輸入電壓或負(fù)載條件如何變化，它都能產(chǎn)生并保持固定的輸出電壓。

?穩(wěn)壓器（VR）將來自電源的電壓保持在其他電氣組件相容的范圍之內(nèi)。它最常用于DC / DC電源轉(zhuǎn)換，但有些也可用于AC / AC或AC / DC電源轉(zhuǎn)換。本文將重點(diǎn)介紹DC / DC穩(wěn)壓器。

穩(wěn)壓器類型：線性與開關(guān)

穩(wěn)壓器主要有兩種類型：線性（Linear）穩(wěn)壓器和開關(guān)（Switching）穩(wěn)壓器。二者都可調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓，但線性穩(wěn)壓器效率較低，而開關(guān)穩(wěn)壓器效率較高。高效開關(guān)穩(wěn)壓器可以將大部分輸入功率無損傳遞至輸出。

線性穩(wěn)壓器

線性穩(wěn)壓器利用了由高增益運(yùn)放控制的有源導(dǎo)通器件，例如BJT或MOSFET。它對內(nèi)部參考電壓和采樣輸出電壓進(jìn)行比較，然后調(diào)節(jié)導(dǎo)通器件的電阻將誤差降至零，從而保持恒定的輸出電壓。

?線性穩(wěn)壓器屬于降壓變換器，顧名思義，其輸出電壓始終低于輸入電壓。但它也具有一定的優(yōu)勢，如易于設(shè)計、可靠、經(jīng)濟(jì)，而且噪聲低、輸出電壓紋波低。

?線性穩(wěn)壓器（如MPS的MP2018）僅需要一個輸入電容和一個輸出電容即可工作（見圖1）。其簡單性和可靠性讓它們成為工程師眼里很直觀、很簡單，通常也是很經(jīng)濟(jì)的選擇。

開關(guān)穩(wěn)壓器

開關(guān)穩(wěn)壓器的電路設(shè)計通常比線性穩(wěn)壓器要復(fù)雜，而且它需要選擇外部組件的值，需要調(diào)整控制環(huán)路以保持穩(wěn)定，并進(jìn)行細(xì)致的布局設(shè)計。

?開關(guān)穩(wěn)壓器可以是降壓變換器、升壓變換器或兩者的組合，這使它比線性穩(wěn)壓器適用性更廣。

?開關(guān)穩(wěn)壓器的優(yōu)勢包括高效、散熱性能更佳，而且可以支持更高電流和更廣泛的VIN / VOUT應(yīng)用。根據(jù)應(yīng)用需求，其效率可高達(dá)95％以上。與線性穩(wěn)壓器不同的是，開關(guān)電源系統(tǒng)可能需要其他外部組件，例如電感、電容、FET或反饋電阻。HF920是MPS提供的一款開關(guān)穩(wěn)壓器，它可以實(shí)現(xiàn)高可靠性和高效的功率調(diào)節(jié)（見圖2）。

穩(wěn)壓器的缺點(diǎn)

?線性穩(wěn)壓器的主要缺點(diǎn)之一是效率低下，因?yàn)樵谀承?yīng)用條件下它們會耗散大量功率。其壓降甚至可與電阻兩端的壓降相當(dāng)。例如，在5V輸入和3V輸出的情況下，端子之間有2V的壓降，效率被限制為3V / 5V（60％）。這也意味著線性穩(wěn)壓器最適合具有較低VIN / VOUT壓差的應(yīng)用。

?采用線性穩(wěn)壓器要充分估計其功耗，這一點(diǎn)很重要，因?yàn)檩斎腚妷哼^高會產(chǎn)生高功耗，從而導(dǎo)致組件過熱并損壞組件。

?線性穩(wěn)壓器的另一個局限是它只能用于降壓轉(zhuǎn)換，而開關(guān)穩(wěn)壓器還可以用于升壓和降壓-升壓轉(zhuǎn)換。

?開關(guān)穩(wěn)壓器效率高，但缺點(diǎn)是通常不如線性穩(wěn)壓器經(jīng)濟(jì)有效。它尺寸較大，更復(fù)雜，而且如果不謹(jǐn)慎選擇外部組件的話，會產(chǎn)生較大噪聲。 對某些噪聲敏感的應(yīng)用來說，這會影響電路的運(yùn)行和性能，以及EMI性能。

開關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)洌航祲?、升壓、線性、LDO和可調(diào)

?穩(wěn)壓器具有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。線性穩(wěn)壓器通常只依賴低壓差（LDO）拓?fù)?。而開關(guān)穩(wěn)壓器則有三種常見拓?fù)洌航祲鹤儞Q器、升壓變換器和降壓-升壓變換器。每種拓?fù)渚唧w描述如下：

低壓差（LDO）穩(wěn)壓器

線性穩(wěn)壓器的常用拓?fù)涫堑蛪翰睿↙DO）穩(wěn)壓器。線性穩(wěn)壓器通常要求輸入電壓至少比輸出電壓高2V，而LDO穩(wěn)壓器則用于在輸入和輸出端子之間壓差極低（有時低至100mV）的情況下工作。

降壓（Step-Down）變換器和升壓（Step-Up）變換器

降壓變換器（也稱為buck變換器）需要較高的輸入電壓并產(chǎn)生較低的輸出電壓。相反，升壓變換器（也稱為boost變換器）采用較低的輸入電壓并產(chǎn)生較高的輸出電壓。

降壓-升壓（Buck-Boost）變換器

降壓-升壓變換器是一種單級變換器，它結(jié)合了降壓變換器和升壓變換器的功能，可以在大于或小于輸出電壓的寬輸入電壓范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出。

穩(wěn)壓器的控制

?線性穩(wěn)壓器的四個基本組件為導(dǎo)通晶體管、誤差放大器、參考電壓和電阻反饋網(wǎng)絡(luò)。誤差放大器的其中一個輸入由兩個電阻（R1和R2）來設(shè)置，用以監(jiān)測輸出電壓的百分比。另一個輸入是穩(wěn)定的參考電壓（VREF）。 如果采樣輸出電壓相對于VREF發(fā)生變化，則誤差放大器會更改導(dǎo)通晶體管的電阻，以保持輸出電壓（VOUT）的恒定。

?線性穩(wěn)壓器通常只需要一個外部輸入電容和一個輸出電容即可工作，因此易于實(shí)現(xiàn)。

?而開關(guān)穩(wěn)壓器則需要更多的組件來創(chuàng)建電路。其功率級在VIN和地之間切換，以創(chuàng)建電荷包并傳遞到輸出。與線性穩(wěn)壓器類似，開關(guān)穩(wěn)壓器也有一個運(yùn)算放大器，對來自反饋網(wǎng)絡(luò)的直流輸出電壓進(jìn)行采樣，并將其與內(nèi)部參考電壓進(jìn)行比較。然后，誤差信號被放大、補(bǔ)償并濾波。該信號用于調(diào)制PWM占空比，以將輸出拉回到穩(wěn)壓狀態(tài)。例如，如果負(fù)載電流迅速增大并導(dǎo)致輸出電壓下降，則控制環(huán)路會增加PWM占空比，以向負(fù)載提供更多電荷，并使電源軌恢復(fù)穩(wěn)定。?

線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器的應(yīng)用

?線性穩(wěn)壓器通常用于成本敏感、噪聲敏感、低電流或空間受限的應(yīng)用，如耳機(jī)、可穿戴設(shè)備等消費(fèi)類電子產(chǎn)品和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備。例如，線性穩(wěn)壓器可用于助聽器等應(yīng)用，因?yàn)樗鼈儧]有會產(chǎn)生意外噪聲并干擾設(shè)備性能的開關(guān)元件。

?另外，如果設(shè)計師更注重低成本而不太關(guān)心功耗，那線性穩(wěn)壓器也是最佳選擇。

?開關(guān)穩(wěn)壓器適用性更廣，它尤其適用于需要高效率和高性能的應(yīng)用，例如消費(fèi)類、工業(yè)、企業(yè)和汽車應(yīng)用（請參見圖3）。例如，如果一個應(yīng)用需要大型降壓解決方案，則開關(guān)穩(wěn)壓器更適合，因?yàn)榫€性穩(wěn)壓器會產(chǎn)生高功耗，會損壞其他電氣組件。

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