直流電壓穩(wěn)壓器類型及直流電壓穩(wěn)壓器工作原理

電壓調節(jié)器是一種無論輸入電壓或負載條件如何變化都能產生并維持固定輸出電壓的電器。電壓穩(wěn)壓器(AVR)將電源電壓保持在與其他電氣組件兼容的范圍內。雖然穩(wěn)壓器最常用于對交流電源電壓AC/AC穩(wěn)壓轉換，但有些穩(wěn)壓器也可以執(zhí)行DC/DC或AC/DC電源轉換。本文將重點介紹DC/DC直流電壓穩(wěn)壓器。

一、直流電壓穩(wěn)壓器的分類：

直流電壓穩(wěn)壓器的類型：線性與開關電壓調節(jié)器主要有兩種類型：線性調節(jié)器和開關調節(jié)器。這兩種類型都可以調節(jié)系統電壓，但線性穩(wěn)壓器的工作效率較低，而開關穩(wěn)壓器的工作效率較高。在高效開關穩(wěn)壓器中，大部分輸入功率都會無耗散地傳輸到輸出。

二、線性穩(wěn)壓器的特點：

線性穩(wěn)壓器采用有源傳輸器件（例如BJT或MOSFET），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)壓器通過將內部參考電壓與采樣輸出電壓進行比較來調整傳輸器件電阻，然后將誤差驅動為零。

1．線性穩(wěn)壓器的作用：

線性穩(wěn)壓器是降壓轉換器，因此根據定義，輸出電壓始終低于輸入電壓。

2．線性穩(wěn)壓器的優(yōu)點：

它們通常易于設計、可靠、經濟高效，并且具有低噪聲和低輸出電壓紋波。線性穩(wěn)壓器僅需要一個輸入和輸出電容器即可運行（見圖1）。它們的簡單性和可靠性使工程師能夠使用直觀且簡單的設備，并且通常具有很高的成本效益。線性調節(jié)器

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三、開關穩(wěn)壓器的特點：

開關穩(wěn)壓器電路的設計通常比線性穩(wěn)壓器更復雜，并且需要選擇外部元件值、調整控制環(huán)路以確保穩(wěn)定性以及仔細的布局設計。

1．開關穩(wěn)壓器的作用：

開關穩(wěn)壓器可以是降壓轉換器、升壓轉換器或兩者的組合，這使得它們比線性穩(wěn)壓器更通用。

2．關開穩(wěn)壓器的優(yōu)點：

開關穩(wěn)壓器的優(yōu)點包括效率高、熱性能更好，并且可以支持更高的電流和更寬的VIN/VOUT應用。根據應用要求，它們可以實現超過95%的效率。與線性穩(wěn)壓器不同，開關電源系統可能需要額外的外部組件，例如電感器、電容器、FET或反饋電阻器。HF920是開關穩(wěn)壓器的一個示例，可提供高可靠性和高效的功率調節(jié)。

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四、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效率低下，因為它們在某些用例中會消耗大量功率。線性穩(wěn)壓器的電壓降與電阻器兩端的電壓降相當。例如，對于5V輸入電壓和3V輸出電壓，端子之間存在2V壓降，效率僅限于3V/5V(60%)。這意味著線性穩(wěn)壓器最適合具有較低VIN/VOUT差異的應用。在應用中考慮線性穩(wěn)壓器的估計功耗非常重要，因為使用較大的輸入電壓會導致高功耗，從而導致組件過熱和損壞。

線性穩(wěn)壓器的另一個限制是它們只能進行降壓（降壓）轉換，而開關穩(wěn)壓器還提供升壓（升壓）和升降壓轉換。

2．開關穩(wěn)壓器：

開關穩(wěn)壓器效率很高，但也有一些缺點，包括它們的成本效益通常低于線性穩(wěn)壓器、尺寸更大、更復雜，并且如果不仔細選擇外部元件，會產生更多噪聲。噪聲對于給定應用非常重要，因為噪聲會影響電路操作和性能以及EMI性能。

開關穩(wěn)壓器拓撲：降壓、升壓、線性、LDO和可調，線性和開關穩(wěn)壓器有多種拓撲。線性穩(wěn)壓器通常依賴低壓差(LDO)拓撲。

對于開關穩(wěn)壓器，存在三種常見的拓撲：降壓轉換器、升壓轉換器和升降壓轉換器。每種拓撲結構描述如下：

3．LDO穩(wěn)壓器：

線性穩(wěn)壓器的一種流行拓撲是低壓差(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。然而，LDO穩(wěn)壓器設計為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。

A．降壓和升壓轉換器：

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

B．降壓-升壓轉換器：

降壓-升壓轉換器是一種單級轉換器，結合了降壓和升壓轉換器的功能，可在大于或小于輸出電壓的較寬輸入電壓范圍內調節(jié)輸出。

C．電壓調節(jié)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、電壓基準和電阻反饋網絡。誤差放大器的輸入之一由兩個電阻器（R1和R2）設置，以監(jiān)控輸出電壓的百分比。

另一個輸入是穩(wěn)定參考電壓(VREF)。如果采樣的輸出電壓相對于VREF發(fā)生變化，誤差放大器會改變傳輸晶體管的電阻以維持恒定的輸出電壓(VOUT)。

線性穩(wěn)壓器通常只需要外部輸入和輸出電容器即可運行，因此易于實現。

另一方面，開關穩(wěn)壓器需要更多元件來創(chuàng)建電路。功率級在VIN和接地之間切換以創(chuàng)建電荷包并輸送到輸出。

與線性穩(wěn)壓器類似，有一個運算放大器對來自反饋網絡的直流輸出電壓進行采樣，并將其與內部參考電壓進行比較。然后誤差信號被放大、補償和濾波。該信號用于調制PWM占空比，以將輸出拉回到調節(jié)狀態(tài)。

例如，如果負載電流快速增加并導致輸出電壓下降，則控制環(huán)路會增加PWM占空比，以為負載提供更多電荷并使電源軌恢復調節(jié)。

D．線性和開關穩(wěn)壓器應用：

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用。一些示例包括消費電子產品，例如耳機、可穿戴設備和物聯網(IoT)設備。例如，助聽器等應用可以使用線性穩(wěn)壓器，因為它們沒有可能產生不需要的噪聲并干擾設備性能的開關元件。此外，如果設計人員主要對創(chuàng)建低成本應用感興趣，則他們無需擔心功耗，并且可以依賴線性穩(wěn)壓器。

E．開關穩(wěn)壓器有利于更通用的應用：

開關穩(wěn)壓器尤其適用于需要效率和性能的應用，例如消費類、工業(yè)、企業(yè)和汽車應用。例如，如果應用需要大型降壓解決方案，則開關穩(wěn)壓器更適合，因為線性穩(wěn)壓器可能會產生高功耗，從而損壞其他電氣組件。

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