穩(wěn)壓器的類型_不同類型的穩(wěn)壓器的工作原理

穩(wěn)壓器是一種集成電路，旨在將其輸入端的電壓調(diào)節(jié)到其輸出端的恒定、固定電壓，而與負(fù)載電流或輸入電壓的變化無關(guān)。

電子設(shè)計(jì)/設(shè)備通常由不同的電子元件組成，這些電子元件有時(shí)在不同的電壓水平下工作。因此，為了可靠地滿足特定設(shè)計(jì)或設(shè)計(jì)中不同組件的功率要求，通常在電源單元中使用穩(wěn)壓器來將主電源的電壓調(diào)節(jié)到設(shè)備不同部分所需的電壓.

在為任何設(shè)備設(shè)計(jì)電源單元時(shí)，總是需要做出大量決定。其中一個(gè)決定，盡管是一個(gè)困難的決定，是電壓穩(wěn)壓器的選擇，因?yàn)樗鼈兙哂胁煌摹靶螤詈统叽纭保哂胁煌摹盎ɡ锖凇保@使得它們?cè)谝粋€(gè)電路中使用時(shí)是一個(gè)很好的選擇，但在一個(gè)電路中卻是一場(chǎng)災(zāi)難其他電路。

因此，為我們的項(xiàng)目（及其約束）選擇合適的調(diào)節(jié)器需要對(duì)選項(xiàng)有透徹的了解，不同類型的電壓穩(wěn)壓器、它們的工作原理，以及何時(shí)使用其中一種更有意義。

交流電 (AC) 是一種周期性地反轉(zhuǎn)方向的電流，而直流電 (DC) 僅在一個(gè)方向上流動(dòng)。

一、穩(wěn)壓器的種類：

穩(wěn)壓器可以根據(jù)不同的因素進(jìn)行分類，例如它們的應(yīng)用、工作電壓、功率轉(zhuǎn)換機(jī)制等等。

在本文中，我們將重點(diǎn)關(guān)注有源電壓穩(wěn)壓器，并根據(jù)它們用于調(diào)節(jié)的機(jī)制將它們分為兩大類。這兩個(gè)類別包括：

穩(wěn)壓器從穩(wěn)壓原理上來講，我們大致可以把它分為兩大類，線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器，

1．線性穩(wěn)壓器：

線性穩(wěn)壓器使用分壓器的原理將其輸入端的電壓轉(zhuǎn)換為其輸出端的所需電壓。它們采用反饋回路自動(dòng)改變系統(tǒng)中的電阻以抵消負(fù)載阻抗和輸入電壓變化的影響，所有這些都是為了確保輸出電壓保持恒定。

線性穩(wěn)壓器的典型實(shí)現(xiàn)包括使用 FET 作為分壓器的一側(cè)，反饋回路連接到晶體管的柵極，根據(jù)需要驅(qū)動(dòng)它以確保輸出電壓的一致性。

雖然將晶體管用作電阻器有助于簡(jiǎn)化線性穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，但它在很大程度上導(dǎo)致了與穩(wěn)壓器相關(guān)的低效率。其原因是晶體管將多余的電能（輸入電壓和輸出電壓之間的電壓差）轉(zhuǎn)化為熱量，導(dǎo)致晶體管發(fā)熱導(dǎo)致功率損耗。

在輸入電壓或輸出負(fù)載電流過高的情況下，穩(wěn)壓器可能會(huì)產(chǎn)生可能導(dǎo)致其擊穿的熱量水平。為了緩解這種情況，設(shè)計(jì)人員通常采用散熱器，其尺寸取決于通過穩(wěn)壓器的電流（功率）量。

對(duì)于線性穩(wěn)壓器，另一點(diǎn)值得討論的是，輸入電壓需要比輸出電壓大一個(gè)稱為壓降電壓的最小值。該電壓值（通常約為 2 v）因穩(wěn)壓器而異，有時(shí)由于功率損耗而成為從事低功率應(yīng)用的設(shè)計(jì)人員的主要關(guān)注點(diǎn)。作為解決此問題的一種方法，使用一種稱為 LDO（低壓差）穩(wěn)壓器的線性穩(wěn)壓器，因?yàn)樗鼈兊脑O(shè)計(jì)能夠在輸入和輸出電壓之間低至 100 mV 的差異下運(yùn)行。

線性穩(wěn)壓器的優(yōu)點(diǎn)：

1．線性穩(wěn)壓器的一些優(yōu)點(diǎn)包括：

a．簡(jiǎn)單易設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)；

b．產(chǎn)生更少的 EMI 和噪音；

c．對(duì)負(fù)載電流或輸入電壓條件變化的快速響應(yīng)時(shí)間；

d．輸出端的低紋波電壓；

線性穩(wěn)壓器的缺點(diǎn)：

線性穩(wěn)壓器的一些缺點(diǎn)包括：

a．大量電能以熱能形式浪費(fèi)，效率低下；

b．壓差要求使其成為低功率應(yīng)用的糟糕選擇；

c．由于需要散熱片，在印刷電路板上占用更多空間；

d．大量電能以熱能形式浪費(fèi)，效率低下；

e．壓差要求使它們成為低功率應(yīng)用的糟糕選擇；

f．由于需要散熱片，在印刷電路板上占用更多空間；

2．開關(guān)穩(wěn)壓器：

盡管它們具有更復(fù)雜的設(shè)計(jì)并且需要更多的配套組件才能運(yùn)行，但開關(guān)穩(wěn)壓器是超高效的穩(wěn)壓器，用于無法容忍功率損耗的場(chǎng)景，如線性穩(wěn)壓器。

開關(guān)穩(wěn)壓器中的電壓調(diào)節(jié)機(jī)制涉及快速切換與儲(chǔ)能組件（電容器或電感器）串聯(lián)的元件，以周期性地中斷電流流動(dòng)并將電壓從一個(gè)值轉(zhuǎn)換為另一個(gè)值。如何做到這一點(diǎn)取決于來自反饋機(jī)制的控制信號(hào)，例如線性穩(wěn)壓器中采用的反饋機(jī)制。

與線性電壓穩(wěn)壓器不同，開關(guān)元件要么處于完全導(dǎo)通狀態(tài)，要么處于關(guān)閉狀態(tài)。它不耗散任何功率，并允許穩(wěn)壓器達(dá)到比線性穩(wěn)壓器更高的效率。

開關(guān)電壓穩(wěn)壓器的基本實(shí)現(xiàn)使用在其截止或飽和狀態(tài)下操作的“傳輸晶體管”作為開關(guān)元件。當(dāng)傳輸晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，沒有電流流過它，因此沒有功率耗散，但是當(dāng)它處于飽和狀態(tài)時(shí)，其兩端出現(xiàn)可忽略不計(jì)的壓降，并伴隨著少量功率的耗散，最大電流被轉(zhuǎn)發(fā)到負(fù)載。由于開關(guān)動(dòng)作和在截止?fàn)顟B(tài)期間節(jié)省的能量，開關(guān)穩(wěn)壓器的效率通常在 70% 以上。

基于開關(guān)和 PWM 的控制提供了很大的靈活性，允許開關(guān)穩(wěn)壓器以不同的模式工作并以各種類型存在，包括：降壓開關(guān)穩(wěn)壓器、升壓開關(guān)穩(wěn)壓器、降壓/升壓開關(guān)穩(wěn)壓器。

A．降壓開關(guān)穩(wěn)壓器：降壓開關(guān)穩(wěn)壓器，也稱為降壓穩(wěn)壓器，將其輸入端的高壓轉(zhuǎn)換為輸出端的較低電壓。除了降壓穩(wěn)壓器以更高的效率運(yùn)行之外，此操作類似于線性穩(wěn)壓器。下圖顯示了降壓穩(wěn)壓器中的組件排列。

B．升壓開關(guān)穩(wěn)壓器：升壓開關(guān)穩(wěn)壓器，也稱為升壓穩(wěn)壓器，可以將輸入端的低電壓轉(zhuǎn)換為輸出端的較高電壓。它們的配置是線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器之間的主要區(qū)別之一，因?yàn)槿绻€性穩(wěn)壓器的輸入電壓大于其輸出所需的電壓，則不會(huì)進(jìn)行穩(wěn)壓。下面提供了說明升壓開關(guān)電壓穩(wěn)壓器的電路。

C．降壓/升壓開關(guān)穩(wěn)壓器：降壓/升壓穩(wěn)壓器結(jié)合了上述兩種穩(wěn)壓器的特性。它可以提供固定的輸出電壓，而與輸入和輸出電壓之間的差值（+ 或 -）無關(guān)。它們?cè)陔姵貞?yīng)用中非常有用，在這些應(yīng)用中，輸入電壓（一開始可能高于輸出電壓）隨著時(shí)間的推移降低到低于輸出電壓的水平。下面提供了一個(gè)說明降壓/升壓開關(guān)穩(wěn)壓器的電路：

優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

A．開關(guān)穩(wěn)壓器的缺點(diǎn)：

盡管開關(guān)穩(wěn)壓器看起來既高效又完美，但它們也有缺點(diǎn)，其中包括：

1．復(fù)雜的設(shè)計(jì)；

2．需要更多的附加組件；

3．價(jià)格昂貴；

4．如果管理不當(dāng)，可能會(huì)影響產(chǎn)品認(rèn)證的高 EMI 和噪聲產(chǎn)生率；

5．輸出電壓紋波高；

6.與線性穩(wěn)壓器相比，瞬態(tài)恢復(fù)時(shí)間更慢；

B．開關(guān)穩(wěn)壓器的優(yōu)點(diǎn)：

根據(jù)我們的應(yīng)用，開關(guān)穩(wěn)壓器的好處遠(yuǎn)遠(yuǎn)會(huì)超過他的缺點(diǎn)。一些優(yōu)點(diǎn)包括：

1．體積小；

2．效率高；

3．它們可以提供大于或小于輸入電壓的輸出電壓；

4．適合低功率應(yīng)用；

5．體積小；

6．效率高；

7．它們可以提供大于或小于輸入電壓的輸出電壓；

8. 適合低功率應(yīng)用；

三、如何為我們的項(xiàng)目選擇合適的穩(wěn)壓器：

為我們的項(xiàng)目選擇合適的穩(wěn)壓器通常不是在線性穩(wěn)壓器或開關(guān)穩(wěn)壓器之間進(jìn)行選擇的問題。只需考慮它們的優(yōu)缺點(diǎn)并決定哪一個(gè)最適合我們，就可以在兩者之間進(jìn)行選擇。但是，需要驗(yàn)證穩(wěn)壓器的其他特定屬性（開關(guān)或線性），以確保它非常適合我們的項(xiàng)目。

其中五個(gè)基本屬性描述如下：

1．輸出電壓（或電壓范圍）：這可能是監(jiān)管機(jī)構(gòu)首先要注意的事情。確保穩(wěn)壓器的輸出電壓（或電壓范圍）與我們的應(yīng)用所需的值相匹配。對(duì)于某些穩(wěn)壓器，可能需要外部組件才能將輸出電壓穩(wěn)定在所需的電壓水平。在為我們的項(xiàng)目加蓋橡皮圖章之前，應(yīng)確認(rèn)所有這些。

2．輸出電流：穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)考慮了特定的電流額定值。將它們連接到電流要求大于其額定電流的負(fù)載可能會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)壓器損壞或負(fù)載發(fā)生故障。這在線性穩(wěn)壓器的情況下更為重要，因?yàn)殡娏鲗?duì)功率損耗有直接影響。始終確保我們選擇的穩(wěn)壓器能夠承受預(yù)期的負(fù)載電流。

3．輸入電壓范圍：這是指穩(wěn)壓器支持的輸入電壓的容許范圍。它通常在數(shù)據(jù)表中指定，作為設(shè)計(jì)人員，確保我們的應(yīng)用的可能輸入電壓在該范圍內(nèi)非常重要。大多數(shù)初級(jí)設(shè)計(jì)人員對(duì)此犯的一個(gè)錯(cuò)誤是只關(guān)注最大輸入電壓，而忘記了低于指定最小電壓的輸入電壓可能導(dǎo)致調(diào)節(jié)誤差，尤其是在線性穩(wěn)壓器的情況下。了解這些值將幫助我們估計(jì)穩(wěn)壓器因線性穩(wěn)壓器產(chǎn)生過熱或開關(guān)穩(wěn)壓器故障而失效的條件。

4．工作溫度范圍：大多數(shù)數(shù)據(jù)表中將其定義為環(huán)境溫度 (Ta) 或結(jié)溫，工作溫度范圍是穩(wěn)壓器正常工作的溫度范圍。更具體地說，結(jié)溫通常是指晶體管的最高工作溫度。相反，環(huán)境溫度是指設(shè)備周圍環(huán)境的溫度。這兩個(gè)值都很重要，特別是對(duì)于線性穩(wěn)壓器，因?yàn)樗鼈冇兄跒榉€(wěn)壓器選擇完美的散熱器。

5．電壓差：這在選擇線性穩(wěn)壓器時(shí)很重要。如前所述，壓降是指輸入電壓必須大于輸出電壓才能進(jìn)行調(diào)節(jié)的量。雖然這對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來說可能不是一個(gè)重要的考慮因素，但對(duì)于效率和低功耗考慮很重要的應(yīng)用，使用具有低壓差電壓的穩(wěn)壓器是有意義的。

其他因素，如效率、封裝尺寸、瞬態(tài)響應(yīng)和潛在的EMI /噪聲產(chǎn)生也需要考慮。

總之：決定使用哪種穩(wěn)壓器的一種簡(jiǎn)單方法是首先根據(jù)其優(yōu)缺點(diǎn)決定線性穩(wěn)壓器還是開關(guān)穩(wěn)壓器是最佳選擇。在此決策級(jí)別之后，可以對(duì)調(diào)節(jié)器的屬性進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)查，因?yàn)樗赡軙?huì)影響我們的設(shè)計(jì)。盡管這種盡職調(diào)查有時(shí)感覺是不必要的，但它可能對(duì)我們的項(xiàng)目的成功至關(guān)重要。

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