穩(wěn)壓器_穩(wěn)壓器的種類及工作原理

穩(wěn)壓器，又名電壓穩(wěn)壓器，是一種電力輔助設(shè)備，它的主要功率是將波動不穩(wěn)定的電壓通過科學(xué)的方法，把電壓穩(wěn)定在恒定的電壓范圍值內(nèi)，保障用電設(shè)備能夠正常工作。

一、穩(wěn)壓器如何工作的：

穩(wěn)壓器是一種電路，它可以產(chǎn)生并保持固定的輸出電壓，而不管輸入電壓或負(fù)載條件如何變化。穩(wěn)壓器(VR)將電源電壓保持在與其他電子元件兼容的范圍內(nèi)。雖然穩(wěn)壓器最常用于DC/DC電源轉(zhuǎn)換，但有些也可以執(zhí)行AC/AC或AC/DC電源轉(zhuǎn)換。

二、穩(wěn)壓器類型：

穩(wěn)壓器大致可分為線性穩(wěn)壓器與開關(guān)穩(wěn)壓器兩種主要類型。兩種類型都調(diào)節(jié)系統(tǒng)的電壓，但線性穩(wěn)壓器以低效率運行，而開關(guān)穩(wěn)壓器以高效率運行。在高效開關(guān)穩(wěn)壓器中，大部分輸入功率在沒有耗散的情況下傳輸?shù)捷敵龆恕?/p>

1．線性穩(wěn)壓器：

線性穩(wěn)壓器使用有源傳輸器件（例如BJT或MOSFET），它由高增益運算放大器控制。為了保持恒定的輸出電壓，線性穩(wěn)壓器通過將內(nèi)部電壓基準(zhǔn)與采樣輸出電壓進(jìn)行比較來調(diào)整傳輸器件電阻，然后將誤差驅(qū)動為零。

線性穩(wěn)壓器是降壓轉(zhuǎn)換器，因此根據(jù)定義，輸出電壓始終低于輸入電壓。然而，這些穩(wěn)壓器具有一些優(yōu)勢：它們通常易于設(shè)計、可靠、具有成本效益，并提供低噪聲和低輸出電壓紋波。

2．開關(guān)穩(wěn)壓器：

開關(guān)穩(wěn)壓器電路的設(shè)計通常比線性穩(wěn)壓器更復(fù)雜，需要選擇外部元件值、調(diào)整控制環(huán)路以實現(xiàn)穩(wěn)定性以及仔細(xì)的布局設(shè)計。開關(guān)穩(wěn)壓器可以是降壓轉(zhuǎn)換器、升壓轉(zhuǎn)換器或兩者的組合，這使得它們比線性穩(wěn)壓器更通用。

開關(guān)穩(wěn)壓器的優(yōu)點包括它們效率高、熱性能更好，并且可以支持更高電流和更寬的VIN/VOUT應(yīng)用。根據(jù)應(yīng)用要求，它們可以實現(xiàn)95%以上的效率。

與線性穩(wěn)壓器不同，開關(guān)電源系統(tǒng)可能需要額外的外部元件，例如電感器、電容器、FET或反饋電阻器。

三、穩(wěn)壓器的局限性：

1．線性穩(wěn)壓器：線性穩(wěn)壓器的主要缺點之一是它們可能效率低下，因為它們在某些應(yīng)用實例中會消耗大量功率。線性穩(wěn)壓器的電壓降與電阻兩端的電壓降相當(dāng)。例如，輸入電壓為5V，輸出電壓為3V，端子間壓降為2V，效率限制為3V/5V(60%)。這意味著線性穩(wěn)壓器最適合具有較低VIN/VOUT差異的應(yīng)用。重要的是要考慮應(yīng)用中線性穩(wěn)壓器的估計功耗，因為使用較大的輸入電壓會導(dǎo)致高功耗，從而導(dǎo)致元件過熱和損壞。線性穩(wěn)壓器的另一個限制是它們只能進(jìn)行降壓（降壓）轉(zhuǎn)換，而開關(guān)穩(wěn)壓器也提供升壓（升壓）和降壓-升壓轉(zhuǎn)換。

2．開關(guān)穩(wěn)壓器：開關(guān)穩(wěn)壓器效率很高，但一些缺點包括它們的成本效益通常低于線性穩(wěn)壓器、尺寸更大、更復(fù)雜，并且如果不仔細(xì)選擇其外部元件會產(chǎn)生更多噪聲。對于給定的應(yīng)用，噪聲可能非常重要，因為噪聲會影響電路操作和性能，以及EMI性能。開關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)洌航祲骸⑸龎骸⒕€性、LDO和可調(diào)線性和開關(guān)穩(wěn)壓器有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

四、線性穩(wěn)壓器通常依賴于低壓差(LDO)拓?fù)洌?/strong>對于開關(guān)穩(wěn)壓器，存在三種常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：降壓轉(zhuǎn)換器、升壓轉(zhuǎn)換器和降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。每個拓?fù)涿枋鋈缦拢?/p>

1．LDO穩(wěn)壓器：

一種流行的線性穩(wěn)壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是低壓差(LDO)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。但是，LDO穩(wěn)壓器設(shè)計用于在輸入和輸出端子之間的電壓差非常小的情況下運行，有時低至100mV。

2．降壓和升壓轉(zhuǎn)換器：

降壓轉(zhuǎn)換器（也稱為降壓轉(zhuǎn)換器）采用較大的輸入電壓并產(chǎn)生較低的輸出電壓。相反，升壓轉(zhuǎn)換器（也稱為升壓轉(zhuǎn)換器）采用較低的輸入電壓并產(chǎn)生較高的輸出電壓。

3．降壓-升壓轉(zhuǎn)換器：

降壓-升壓轉(zhuǎn)換器是一種單級轉(zhuǎn)換器，它結(jié)合了降壓和升壓轉(zhuǎn)換器的功能，可在可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)壓器控制線性穩(wěn)壓器的四個基本組件是傳輸晶體管、誤差放大器、電壓基準(zhǔn)和電阻反饋網(wǎng)絡(luò)。誤差放大器的輸入之一由兩個電阻器（R1和R2）設(shè)置，以監(jiān)控輸出電壓的百分比。另一個輸入是一個穩(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，則誤差放大器會改變傳輸晶體管的電阻以保持恒定的輸出電壓(VOUT)。線性穩(wěn)壓器通常只需要一個外部輸入和輸出電容器即可運行，因此易于實施。

另一方面，開關(guān)穩(wěn)壓器需要更多組件來創(chuàng)建電路。功率級在VIN和地之間切換以創(chuàng)建電荷包以傳送到輸出。與線性穩(wěn)壓器類似，有一個運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)部電壓基準(zhǔn)進(jìn)行比較。然后對誤差信號進(jìn)行放大、補償和濾波。該信號用于調(diào)制PWM占空比以將輸出拉回到調(diào)節(jié)狀態(tài)。例如，如果負(fù)載電流快速增加并導(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。

線性和開關(guān)穩(wěn)壓器應(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)用中。一些示例包括消費電子產(chǎn)品，例如耳機(jī)、可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備。例如，助聽器等應(yīng)用可以使用線性穩(wěn)壓器，因為它們沒有可能產(chǎn)生不需要的噪聲并干擾設(shè)備性能的開關(guān)元件。此外，如果設(shè)計人員主要對創(chuàng)建低成本應(yīng)用感興趣，則他們無需擔(dān)心功耗，可以依賴線性穩(wěn)壓器。開關(guān)穩(wěn)壓器有利于更通用的應(yīng)用，尤其適用于需要效率和性能的應(yīng)用，例如消費、工業(yè)、企業(yè)和汽車應(yīng)用。例如：如果應(yīng)用需要大型降壓解決方案，則開關(guān)穩(wěn)壓器更適合，因為線性穩(wěn)壓器會產(chǎn)生高功率耗散，從而損壞其他電子元件。降壓穩(wěn)壓器。