具有工作原理的不同類型的穩(wěn)壓器

在電源中，穩(wěn)壓器起著關鍵作用。因此，在討論穩(wěn)壓器之前，我們必須知道電源在設計系統(tǒng)時的作用是什么？例如，在智能手機、手表、計算機或筆記本電腦等任何工作系統(tǒng)中，電源是電器工作的重要組成部分，因為它為系統(tǒng)的內部組件提供一致、可靠和連續(xù)的電源。在電子設備中，電源提供穩(wěn)定且穩(wěn)定的電源以正確工作電路。電源有兩種類型，例如從電源插座獲取的交流電源和從電池獲得的直流電源。因此，本文將概述不同類型的穩(wěn)壓器及其工作原理。

一、什么是穩(wěn)壓器：

穩(wěn)壓器用于調節(jié)電壓電平。當需要穩(wěn)定、可靠的電壓時，穩(wěn)壓器是首選器件。它產生一個固定的輸出電壓，該電壓在輸入電壓或負載條件的任何變化時保持不變。它充當保護組件免受損壞的緩沖區(qū)。穩(wěn)壓器是一種具有簡單前饋設計的器件，它使用負反饋控制環(huán)路。

二、穩(wěn)壓器使用的主要部件：

1．反饋電路；

2．穩(wěn)定的基準電壓；

3．通過元件控制電路；

使用上述三個組件，電壓調節(jié)過程非常簡單。穩(wěn)壓器的第一個組件（如反饋電路）用于檢測直流電壓輸出內的變化。根據基準電壓和反饋，可以生成控制信號并驅動傳輸元件以補償變化。

這里，傳遞元件是一種類似于BJT晶體管的固態(tài)半導體器件，PN結二極管或MOSFET。現在，直流輸出電壓可以保持大致穩(wěn)定。

三、穩(wěn)壓器的工作原理：

穩(wěn)壓器電路用于使和保持永久輸出電壓，即使輸入電壓發(fā)生其他負載條件發(fā)生變化。穩(wěn)壓器從電源獲取電壓，并且可以將其保持在非常適合其余電氣組件的范圍內。這些穩(wěn)壓器最常見的是用于轉換 DC/DC 電源，或者轉換 AC/AC 或 AC/DC。

四、穩(wěn)壓器的種類及其工作原理：

這些穩(wěn)壓器可以通過集成電路或分立元件電路來實現。穩(wěn)壓器分為兩種類型，即線性穩(wěn)壓器和開關穩(wěn)壓器。這些穩(wěn)壓器主要用于調節(jié)系統(tǒng)的電壓，然而，線性穩(wěn)壓器以低效率工作，開關穩(wěn)壓器以高效率工作。在高效率的開關穩(wěn)壓器中，大部分I/P功率可以傳輸到o/p而不耗散。

五、穩(wěn)壓器的分類：

穩(wěn)壓器主要有兩種類型：線性穩(wěn)壓器和開關穩(wěn)壓器；線性穩(wěn)壓器有兩種類型：串聯穩(wěn)壓器和并聯。開關穩(wěn)壓器有三種類型：升壓、降壓和逆變穩(wěn)壓器。

這些用于更廣泛的應用。線性穩(wěn)壓器是最簡單的穩(wěn)壓器類型。它有兩種類型，一種結構緊湊，用于低功率、低電壓系統(tǒng)。

1．線性穩(wěn)壓器：

線性穩(wěn)壓器用作分壓器。在歐姆區(qū)域，它使用FET。穩(wěn)壓器的電阻隨負載而變化，從而產生恒定的輸出電壓。線性穩(wěn)壓器是用于調節(jié)電源的原始穩(wěn)壓器類型。在這種穩(wěn)壓器中，MOSFET或BJT等有源調整元件的可變電導率負責改變輸出電壓。

一旦負載被連接，任何輸入的變化，否則負載將導致整個晶體管的電流差異，以保持輸出恒定。要改變晶體管的電流，它應該在有源的歐姆區(qū)域工作。

A．優(yōu)勢：在整個過程中，這種穩(wěn)壓器會消耗大量功率，因為晶體管內的凈電壓會像熱量一樣消散。

通常，這些調節(jié)器分為不同的類別。

1）.正向可調；

2）.負可調；

3）.固定輸出；

4）.跟蹤；

5）.浮動；

6）.優(yōu)勢；

B．線性穩(wěn)壓器的優(yōu)點包括以下幾點：

1）提供低輸出紋波電壓；

2）對負載或生產線變化的快速響應時間；

3）低電磁干擾，噪音??；

C．線性穩(wěn)壓器的缺點包括以下幾點：

1）.效率非常低；

2）.需要大空間 – 需要散熱器；

3）.高于輸入的電壓無法增加；

2．串聯穩(wěn)壓器：

串聯穩(wěn)壓器使用與負載串聯的可變元件。通過改變該串聯元件的電阻，可以改變其兩端的壓降。而且，負載兩端的電壓保持不變。

負載有效地利用了消耗的電流量;這是串聯穩(wěn)壓器的主要優(yōu)點。即使負載不需要任何電流，串聯穩(wěn)壓器也不會吸收全電流。因此，串聯穩(wěn)壓器比并聯穩(wěn)壓器效率高得多。

3．并聯穩(wěn)壓器：

并聯穩(wěn)壓器的工作原理是通過可變電阻提供從電源電壓到地的路徑。通過并聯穩(wěn)壓器的電流已從負載轉移并無用地流動，使得這種形式通常不如串聯穩(wěn)壓器效率低。然而，它更簡單，有時僅由一個基準電壓二極管組成，并且用于非常低功率的電路，其中浪費的電流太小而不需要關注。這種形式在電壓基準電路中很常見。并聯穩(wěn)壓器通常只能吸收（吸收）電流。

A．并聯穩(wěn)壓器的應用：

1）.低輸出電壓開關電源；

2）.電流源和灌電流電路；

3）.誤差放大器；

4）.可調電壓或電流線性和開關電源；

5）.電壓監(jiān)控；

6）.需要精密基準的模擬和數字電路；

7）.精密限流器；

4．開關穩(wěn)壓器：

開關穩(wěn)壓器快速打開和關閉串聯器件。開關的占空比設置傳輸到負載的電荷量。這由類似于線性穩(wěn)壓器的反饋機制控制。開關穩(wěn)壓器之所以高效，是因為串聯元件要么完全導通，要么關閉，因為它幾乎不耗散功率。與線性穩(wěn)壓器不同，開關穩(wěn)壓器能夠產生高于輸入電壓或極性相反的輸出電壓。

開關穩(wěn)壓器快速打開和關閉以改變輸出。它需要一個控制振蕩器，并且還對存儲組件充電。

在具有脈率調制變化頻率的開關穩(wěn)壓器中，PRM施加的恒定占空比和噪聲頻譜各不相同;過濾掉這種噪音更加困難。

具有脈寬調制、恒定頻率、可變占空比的開關穩(wěn)壓器高效且易于濾除噪聲。

在開關穩(wěn)壓器中，通過電感器的連續(xù)模式電流永遠不會降至零。它允許最高的輸出功率。它提供更好的性能。

在開關穩(wěn)壓器中，通過電感器的不連續(xù)模式電流降至零。當輸出電流較低時，它提供更好的性能。

A．切換拓撲：

它具有兩種類型的拓撲結構：介電隔離和非隔離。

B．隔離：

它基于輻射和強烈的環(huán)境。同樣，隔離式轉換器分為兩種類型，包括以下內容。

1）.反激式轉換器；

2）.正激式轉換器；

在上面列出的隔離式轉換器中，開關模式電源主題中討論了這些轉換器。

C．非隔離：

它基于Vout/Vin的微小變化。示例包括升壓穩(wěn)壓器 （升壓） – 提高輸入電壓;降壓 （降壓） – 降低輸入電壓;升壓/降壓（升壓/降壓）穩(wěn)壓器 – 根據控制器降低或升高或反相輸入電壓;電荷泵 – 無需使用電感器即可提供多個輸入。

同樣，非隔離轉換器分為不同的類型，但重要的類型是：

1）.降壓轉換器或降壓穩(wěn)壓器；

2）.升壓轉換器或升壓穩(wěn)壓器；

3）.降壓或升壓轉換器；

D．交換拓撲的優(yōu)點：

開關電源的主要優(yōu)點是效率、尺寸和重量。它也是一種更復雜的設計，能夠處理更高的電源效率。開關穩(wěn)壓器可以提供大于或小于或反轉輸入電壓的輸出。

E．交換拓撲的缺點：

1）.更高的輸出紋波電壓；

2）.較慢的瞬態(tài)恢復時間；

3）.EMI 產生非常嘈雜的輸出；

4）.非常昂貴；

五、穩(wěn)變一體變壓穩(wěn)壓器：

穩(wěn)變一體變壓穩(wěn)壓器，是開關穩(wěn)壓器的升級產品，一般的穩(wěn)壓器在調節(jié)電壓時，都是以中心電壓做為基礎進行百分比調節(jié)，如果要改變電壓，則需要對在別外加設一臺變壓器，將電壓進行轉換，這樣無疑是對成本的一種增加，也添加了連接風險，為了滿足市場的需求，穩(wěn)壓器廠家就產品進行了改良，在穩(wěn)壓器的基礎上加設了變壓功能。以應對不同環(huán)境的需求，特別是對于一些進出口設備應對不同國家電壓，是解決問題的最佳輔助設備。

1．升壓穩(wěn)壓器：

升壓開關轉換器也稱為升壓開關穩(wěn)壓器，通過提高輸入電壓來提供更高的電壓輸出。只要消耗的功率在電路的輸出功率規(guī)格范圍內，輸出電壓就會受到調節(jié)。為了驅動LED串，使用升壓開關穩(wěn)壓器。

假設無損電路Pin=Pout（輸入和輸出功率相同）：

Pin = Pout; Vin Iin = Vout Iout；

Iout / Iin = Vin /Vout = 1/D；

由此推斷，在這個電路中

功率保持不變；

電壓增加；

電流降低；

相當于直流變壓器。

2．降壓穩(wěn)壓器：

它降低了輸入電壓；

如果輸入功率等于輸出功率，則：

Pin = Pout; Vin Iin = Vout Iout；

Iout / Iin = Vin /Vout = 1/D；

降壓轉換器相當于直流變壓器，其中匝數比在0-1范圍內。

3．升壓/降壓（升降一體穩(wěn)壓變壓器）：

它也被稱為升降一體穩(wěn)壓變壓器。通過使用這種配置，可以根據要求提高、降低或反相電壓。

輸出電壓與輸入的極性相反。

這是通過在關斷時間對反向偏置二極管進行正向偏置來實現的，在關斷時間產生電流并為電容器充電以產生電壓通過使用這種類型的開關穩(wěn)壓器，可以實現90%的效率。

4．交流發(fā)電機穩(wěn)壓器：

交流發(fā)電機產生的電流是滿足發(fā)動機運行時車輛電氣需求所必需的。它還補充用于啟動車輛的能量。交流發(fā)電機能夠以比大多數車輛曾經使用的直流發(fā)電機更低的速度產生更多的電流。交流發(fā)電機有兩部分定子 – 這是一個靜止的部件，不會移動。它包含一組纏繞在鐵芯上的線圈中的電導體。

轉子/電樞 – 這是通過以下三種方式中的任何一種產生旋轉磁場的移動組件：（i） 感應 （ii） 永磁體 （iii） 使用激振器。

5．電子穩(wěn)壓器：

一個簡單的穩(wěn)壓器可以由與二極管（或一系列二極管）串聯的電阻器制成。由于二極管V-I曲線的對數形狀，二極管兩端的電壓僅因電流消耗的變化或輸入的變化而略有變化。當精確的電壓控制和效率不重要時，這種設計可能工作正常。

六、晶體管穩(wěn)壓器：

電子穩(wěn)壓器具有由齊納二極管提供的不穩(wěn)定電壓基準源，齊納二極管也稱為反向擊穿電壓工作二極管。它保持恒定的直流輸出電壓。交流紋波電壓被阻斷，但濾波器不能被阻斷。穩(wěn)壓器還具有用于短路保護的額外電路、限流電路、過壓保護和熱關斷。

七、穩(wěn)壓器基本參數：

1．操作穩(wěn)壓器時需要考慮的基本參數主要包括 I/p 電壓、o/p 電壓以及 o/p 電流。通常，所有這些參數主要用于確定VR類型拓撲是否與用戶的IC匹配。

2．該穩(wěn)壓器的其他參數是開關頻率、靜態(tài)電流;反饋電壓熱阻可根據要求適用一旦整個待機模式或輕負載的效率成為主要問題，靜態(tài)電流就會很大。

3．一旦將開關頻率視為一個參數，利用開關頻率就可以得到小型系統(tǒng)的解決方案。此外，熱阻對于去除設備的熱量以及溶解系統(tǒng)中的熱量可能是危險的。

4．如果控制器具有MOSFET，則所有導電損耗和動態(tài)損耗都將在封裝內消散，并且在測量穩(wěn)壓器的最高溫度時必須考慮這一點。

5．最重要的參數是反饋電壓，因為它決定了IC可以承受的o/p電壓越小。這限制了較低的o/p電壓，精度將影響輸出電壓的調節(jié)。

八、如何選擇正確的穩(wěn)壓器：

1．在設計人員選擇穩(wěn)壓器時，關鍵參數起著關鍵作用，如Vin、Vout、Iout、系統(tǒng)優(yōu)先級等。一些額外的關鍵功能，如啟用控制或電源良好指示。

2．當設計師描述了這些必需品時，然后使用參數搜索表來發(fā)現滿足首選必需品的最佳設備。

對于設計人員來說，此表非常有價值，因為它提供了多種功能以及可獲得的軟件包，以滿足設計人員要求的必要參數。

3．MPS器件的數據表詳細描述了所需的外部部件，以及如何測量其值以獲得穩(wěn)定，高效的高性能設計。

4．該數據表主要有助于測量元件的值，如輸出電容、反饋電阻、o/p 電感等。

九、限制/缺點：

穩(wěn)壓器的局限性包括以下幾點。

1．穩(wěn)壓器的主要限制之一是，由于某些應用中消耗大電流，它們效率低下該IC的壓降類似于電阻壓降。例如，當穩(wěn)壓器的輸入為5V并產生3V的輸出時，兩個端子之間的壓降為2V。

穩(wěn)壓器的效率可限制在 3V 或 5V，這意味著這些穩(wěn)壓器適用于較少的 Vin/Vout 差分。

2．在任何應用中，考慮穩(wěn)壓器的預期功耗都非常重要，因為當輸入電壓高時，功耗會很高，因此可能會因過熱而損壞不同的組件。

3．另一個限制是，與開關類型相比，它們僅能夠進行降壓轉換，因為這些穩(wěn)壓器將提供降壓和轉換。

4．像開關型這樣的穩(wěn)壓器效率很高，但是與線性型穩(wěn)壓器相比，它們有一些缺點，如成本效益，更復雜，大尺寸，如果不謹慎選擇其外部組件，會產生更多的噪音。

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