本文討論為給定應用選擇電源的過程。本文回顧了三種最常見的DC-DC轉換電源IC的特性。它還提供了其他應用筆記和教程的鏈接，這些筆記和教程討論了更高級的主題。

對于沒有經驗的人來說，選擇電源IC可能是一項艱巨的任務。本應用筆記將幫助新手工程師邁出第一步，成為自信的電源設計人員。本文討論如何在最基本的層面上選擇這些IC。首先，它解釋了為什么需要電源IC。然后，本文展示了如何在三種最常見的直流電壓供電電源IC中進行選擇：線性穩壓器、開關穩壓器和電荷泵。支持性應用筆記和教程的鏈接將討論更高級的電源主題。

為什么選擇電源IC？

大多數電源IC的主要目的是調節。這些器件采用非穩壓輸入電壓并提供穩壓輸出電壓。簡單地說，這些IC提供的輸出電壓在輸入電壓或輸出電流變化的情況下仍保持穩定。這解釋了線性穩壓器和開關穩壓器的名稱。這個簡單定義的例外是電荷泵。根據具體器件的不同，電荷泵的輸出可以是穩壓的，也可以是非穩壓的。

有時穩壓器從穩壓輸入電壓產生穩壓輸出電壓。在這種情況下，穩壓器的功能是將輸入電壓更改為另一個電壓電平，而不必改善電壓調節。

您可能很想在沒有穩壓器的情況下為電路供電。事實上，在某些情況下，你可以成功做到這一點。例如，您可以直接從電池為便攜式設備供電。但這種方法通常會導致問題。便攜式設備中的電路通常只能在一定的窄電壓范圍內正常工作。對于微處理器和存儲器尤其如此，尤其是在需要高速的情況下。對于微處理器、存儲器和許多其他類型的電路，電池工作的電壓范圍可能會超出可接受的水平。因此，添加穩壓器可確保您的電路接收適當的電壓。

如果不使用穩壓器，電池的內阻也可能出現問題。之所以出現這種困難，是因為便攜式設備中的電路通常需要不同水平的電源電流。當從電池中汲取時，由于電池的內阻，這種變化的電流會產生不同的電池電壓。部分電路可以“反對”電池電壓的這些變化，因為電路各種組件的PSRR（電源抑制比）可能不足以抑制這些電壓變化。為了解決這個問題，穩壓器在負載電流變化的情況下保持穩定的輸出電壓。穩壓器提供這種穩定的電壓，因為其有源電路保持的輸出電阻明顯低于電池的串聯電阻。

任何在沒有穩壓器的情況下進行設計的嘗試都會挑戰穩壓器提供穩定電壓的必要性，盡管輸入電壓或輸出電流會發生變化。但還有更多需要考慮。在大多數情況下，開關穩壓器和線性穩壓器，如穩壓和非穩壓電荷泵，還有一個額外的用途：它們產生的電壓與為其供電的電壓幅度不同。這解釋了DC-DC轉換器的名稱。從技術上講，這里討論的所有三種類型的電源IC（例如線性穩壓器、開關穩壓器和電荷泵）都是DC-DC轉換器，但是，該術語通常保留用于開關穩壓器。

線性穩壓器在轉換電壓電平時受到一定限制，只能產生低于為其供電的電壓的電壓。開關穩壓器的用途更為廣泛，可以升壓（升壓）、降壓（降壓）或反相（改變極性）其電源電壓。電荷泵執行這三種相同的操作，但輸出電流能力有限。

請參考應用筆記269：“以性能換取便攜式電源成本”。

電源IC產生的電壓與饋給它們的電壓不同，也有例外。變壓器耦合轉換器最常見例外情況。找到輸出電壓等于其輸入電壓的變壓器耦合轉換器并不罕見。參見圖1。在大多數情況下，以這種方式配置的轉換器的唯一目的是提供隔離，從而防止提供給轉換器的輸入電壓與轉換器產生的輸出電壓之間的直流連接。參見圖2。出于安全原因，通常使用隔離。例如，通過電極連接到患者的電路的電源與來自墻壁插座的電源隔離，以防止電擊風險。但是您不需要在醫院要求隔離。幾乎所有消費電子產品都將交流線路與工作電路隔離開來。

圖1.該變壓器耦合開關穩壓器電路將輸入電壓與輸出電壓隔離開來。電源設計人員通常使用光耦合器將電路輸出與穩壓器的反饋引腳隔離開來。

圖2.電路具有一個隔離的5V至5V/400mA電源。內置MAX668升壓控制器。

請參閱隔離電源參考指南。Maxim的隔離電源應用筆記進行了分類，以便于參考。

現在將解釋線性穩壓器、開關穩壓器和電荷泵的優缺點。

線性穩壓器

線性穩壓器通常是各種類型的電源IC中最小、通常最便宜且噪聲最小的。參見圖 3。如果線性穩壓器適合您的應用，請使用它，特別是因為線性穩壓器電路比圍繞其他類型的電源IC構建的電路更有可能在第一次就正常工作。

圖3.線性穩壓器既降壓又調節提供給它的電壓，只需最少數量的外部元件。由于這些器件不包含開關元件，因此產生的噪聲很小。此外，線性穩壓器的電路板布局不如開關穩壓器和電荷泵重要。

為什么要使用除線性穩壓器以外的任何電源IC？原因有二。首先，線性穩壓器只能提供小于其輸入電壓的輸出電壓。如上所述，如果要產生高于輸入電壓或極性相反的電壓，則別無選擇，只能使用開關穩壓器或電荷泵。

第二個原因是效率。將一個電壓轉換為另一個電壓總是浪費電力。在理想情況下，穩壓器不浪費電力;其效率等級將為100%。如果提供給穩壓器的功率中有一半到達穩壓器的負載，則其效率將為50%。

線性穩壓器的效率通常（但并非總是）低于開關穩壓器。您可以通過將輸出電壓除以輸入電壓來計算線性穩壓器的效率。（如果為穩壓器供電的電流、穩壓器的電源或靜態電流只是從穩壓器輸出汲取的電流的一小部分，則此公式足夠準確。在大多數情況下，確實如此。因此，對于LDO（低壓差線性穩壓器），其中 為線性穩壓器供電的電源電壓接近穩壓器的輸出電壓，效率高，在這種情況下，LDO可能是比開關穩壓器更好的選擇，因為LDO的噪聲較小。MAX1725/MAX1726為超低電源電流LDO，最大靜態電流為4.5μA。

高效穩壓器在便攜式設備中具有明顯的優勢，因為更少的功率浪費導致更長的電池壽命。您可能需要高效穩壓器還有另一個原因：浪費的功率會以熱量的形式消散。因此，高效電源通常適合壁掛式供電設備以及便攜式設備。在任何一種情況下，此電源都可以將外殼內的溫度降低到可容忍的水平。

在汽車應用中，通常需要更高的輸入電壓和更寬的溫度范圍。例如，MAX6765–MAX6774在-4°C至+72°C溫度范圍內工作在40V至125V。這些線性穩壓器具有控制輸入，使其“適合汽車”。

參見低壓差線性穩壓器。

開關穩壓器

開關穩壓器不具備線性穩壓器的優勢。開關穩壓器消耗更多的電路板面積（除非線性穩壓器需要散熱器來消耗其中損耗的功率）;成本更高;并產生比線性對應物更多的噪聲。然而，多年來，開關穩壓器一直受到電源設計人員的極大歡迎。為什么？

開關穩壓器仍然很受歡迎，因為這些器件在承受輸入電壓和負載電流的多種組合時具有出色的效率。（升壓和降壓開關的電平可高達96%，但降壓通常效率更高，逆變器的降壓效率高達90%）。此外，如果您需要升壓、降壓或反相電壓，開關穩壓器是唯一能夠在負載電流高于約125mA的情況下進行這些操作的器件。誠然，您可以使用電荷泵來執行這些操作，但這些器件允許的負載電流是有限的。將足夠大的開關集成到電荷泵中以處理高于125mA電平的負載電流實在太昂貴了，盡管少數電荷泵確實可以提供幾百毫安的電流。

開關穩壓器之所以如此命名，是因為它們開關功率晶體管，當與電感器結合使用時，功率晶體管可以有效地將一個電壓轉換為另一個電壓。參見圖 4。當這些功率晶體管切換時，它們會非常迅速地切換，因為快速轉換可以提高穩壓器的效率。要了解原因，首先要考慮功率晶體管未轉換時的功耗。當晶體管關閉時，電壓出現在它上面，但沒有電流流過它。因此，不會損失任何功率。當晶體管導通時，其兩端會出現一個小電壓，同時可能會有可觀的電流流過它。因此，通常會損失少量功率。當功率晶體管從關狀態轉換到導通狀態時，反之亦然，當電流流過晶體管時，晶體管上會出現電壓。因此，可能會損失可觀的功率。加快開關過程可降低這些轉換損耗。

為了盡量減少與開關電源中整流二極管相關的功率損耗，可以使用同步配置。在同步配置中，整流二極管被MOSFET開關取代。這種方法進一步提高了開關轉換器的效率。MAX15023是同步降壓控制器的一個例子。

圖4.開關穩壓器可以 （a） 降壓（降壓）、（b） 升壓（升壓）或 （c） 降壓/升壓并反相（降壓升壓）為其供電的電壓。這三種開關穩壓器類型中的外部晶體管開關通常包含在開關穩壓器中，通常是當器件指定用于中等負載電流時。有時，降壓和升壓開關穩壓器IC構成此處所示的整流器。

這些快速轉換，以及經常在這些電路中流動的大電流，使得電路板布局變得至關重要。開關穩壓器電路需要經過深思熟慮的布局，并且必須正確指定開關穩壓器IC外部的元件。考慮到各種類型的電源，開關穩壓器需要最仔細的設計。

幸運的是，有一種方法可以解決這些布局問題。對于輸出電流要求較低的應用，可提供集成MOSFET的開關穩壓器。MAX17083為集成開關的降壓穩壓器，支持高達5A的連續負載電流。內部開關大大方便了電路板布局。但是，這會將輸出功率限制在IC的功耗限制和設計規格范圍內。

Maxim還為大多數開關穩壓器提供EV（評估）套件。這些套件演示了電源的工作布局，在許多情況下可以適應特定的電路板。此外，穩壓器的數據手冊中通常列出了各種外部元件的多個電源。決定使用哪些外部元件只需從已指定的多個器件中進行選擇，每個器件都能夠與特定的開關穩壓器IC很好地配合使用。

參見電源電路應用筆記和Maxim電源手冊。

Maxim還提供在線仿真工具（EE-Sim）來設計和仿真電源電路。

電荷泵

電荷泵是這里討論的電源IC中最不為人所知的一類。這些器件執行與開關穩壓器相同的功能，但沒有電感器。相反，電荷泵使用電容器來降壓、反相或升壓為其供電的電壓。參見圖 5。

圖5.與開關穩壓器一樣，電荷泵對電壓進行降壓、升壓和反相處理，但使用電容器而不是電感器來執行這些操作。在大多數情況下，電荷泵處理的輸出電流低于開關穩壓器。盡管拓撲結構略有不同，但此處所示的電路代表了穩壓和非穩壓電荷泵，無論它們是升壓、降壓還是反相電壓。

電荷泵具有非穩壓和穩壓輸出?？紤]一個連接到未穩壓電荷泵輸出的電路，隨著該電路消耗越來越多的電流，其輸出電壓成比例下降。因此，電荷泵的輸出阻抗基本上是一個固定電阻。當在反相模式使用時，未穩壓電荷泵提供的輸出電壓等于為器件供電的電壓，但極性相反（例如MAX828）。如上所述，隨著負載電流的增加，該電壓的大小會下降。當在倍增模式下使用時，這些電荷泵精確地使施加的電壓（例如MAX1682）加倍，輸出電壓也會隨著負載電流的增加而下降。

穩壓電荷泵可以升壓、降壓或反相施加電壓。與非穩壓電荷泵不同，這些器件提供的輸出電壓電平并不嚴格依賴于饋送給它們的電壓電平。因此，這些器件可以從5.3V輸入產生3V輸出。此外，由于它們是穩壓的，隨著輸出電流的增加，輸出電壓基本上保持恒定。如上所述，可以從這些器件以及未穩壓電荷泵汲取的電流量是有限的。上限約為125mA（例如MAX1595），但也有少數器件可處理幾百毫安電流（例如MAX889）。構建提供大負載電流的電荷泵是不經濟的。相反，基于電感的開關穩壓器非常適合這種情況。

電荷泵切換與其相連的電容器，從而產生噪聲。該噪聲的幅度通常小于開關穩壓器的噪聲。這主要有三個原因。首先，負載電流更輕。其次，由于這些電路不包括電感器，因此不會產生磁噪聲。最后，當電荷泵中斷流過與其相連的電容器的電流時，不會產生電壓尖峰。開關穩壓器中斷流經電感器的電流通常會產生電壓尖峰。

電荷泵數據手冊為您提供了選擇使用電荷泵時唯一需要的外部元件（即電容器）所需的信息。雖然評估板不是必需的，因此電荷泵的可用性較低，但任何可用的評估板都可以快速確定該器件是否適合特定應用。

審核編輯：郭婷