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穩壓器是如何工作的?

jf_78858299 ? 來源:電路一點通 ? 作者:電路一點通 ? 2023-03-16 09:21 ? 次閱讀

穩壓器是如何工作的?

穩壓器是這樣一種電路:無論輸入電壓或負載條件如何變化,它都能產生并保持固定的輸出電壓。

穩壓器(VR)將來自電源的電壓保持在其他電氣組件相容的范圍之內。它最常用于DC / DC電源轉換,但有些也可用于AC / AC或AC / DC電源轉換。本文將重點介紹DC / DC穩壓器。

穩壓器類型:線性與開關

穩壓器主要有兩種類型:線性(Linear)穩壓器和開關(Switching)穩壓器。二者都可調節系統電壓,但線性穩壓器效率較低,而開關穩壓器效率較高。高效開關穩壓器可以將大部分輸入功率無損傳遞至輸出。

線性穩壓器

線性穩壓器利用了由高增益運放控制的有源導通器件,例如BJT或MOSFET。它對內部參考電壓和采樣輸出電壓進行比較,然后調節導通器件的電阻將誤差降至零,從而保持恒定的輸出電壓。

線性穩壓器屬于降壓變換器,顧名思義,其輸出電壓始終低于輸入電壓。但它也具有一定的優勢,如易于設計、可靠、經濟,而且噪聲低、輸出電壓紋波低。

線性穩壓器(如MPS的MP2018)僅需要一個輸入電容和一個輸出電容即可工作(見圖1)。其簡單性和可靠性讓它們成為工程師眼里很直觀、很簡單,通常也是很經濟的選擇。

圖片

圖1: MP2018線性穩壓器

開關穩壓器

開關穩壓器的電路設計通常比線性穩壓器要復雜,而且它需要選擇外部組件的值,需要調整控制環路以保持穩定,并進行細致的布局設計。

開關穩壓器可以是降壓變換器、升壓變換器或兩者的組合,這使它比線性穩壓器適用性更廣。

開關穩壓器的優勢包括高效、散熱性能更佳,而且可以支持更高電流和更廣泛的VIN / VOUT應用。根據應用需求,其效率可高達95%以上。與線性穩壓器不同的是,開關電源系統可能需要其他外部組件,例如電感、電容、FET或反饋電阻。HF920是MPS提供的一款開關穩壓器,它可以實現高可靠性和高效的功率調節(見圖2)。

圖片

圖2: HF920開關穩壓器

穩壓器的缺點

線性穩壓器的主要缺點之一是效率低下,因為在某些應用條件下它們會耗散大量功率。其壓降甚至可與電阻兩端的壓降相當。例如,在5V輸入和3V輸出的情況下,端子之間有2V的壓降,效率被限制為3V / 5V(60%)。這也意味著線性穩壓器最適合具有較低VIN / VOUT壓差的應用。

采用線性穩壓器要充分估計其功耗,這一點很重要,因為輸入電壓過高會產生高功耗,從而導致組件過熱并損壞組件。

線性穩壓器的另一個局限是它只能用于降壓轉換,而開關穩壓器還可以用于升壓和降壓-升壓轉換。

開關穩壓器效率高,但缺點是通常不如線性穩壓器經濟有效。它尺寸較大,更復雜,而且如果不謹慎選擇外部組件的話,會產生較大噪聲。對某些噪聲敏感的應用來說,這會影響電路的運行和性能,以及EMI性能。

開關穩壓器拓撲:降壓、升壓、線性、LDO和可調

穩壓器具有多種拓撲結構。線性穩壓器通常只依賴低壓差(LDO)拓撲。而開關穩壓器則有三種常見拓撲:降壓變換器、升壓變換器和降壓-升壓變換器。每種拓撲具體描述如下:

低壓差(LDO)穩壓器

線性穩壓器的常用拓撲是低壓差(LDO)穩壓器。線性穩壓器通常要求輸入電壓至少比輸出電壓高2V,而LDO穩壓器則用于在輸入和輸出端子之間壓差極低(有時低至100mV)的情況下工作。

降壓(Step-Down)變換器和升壓(Step-Up)變換器

降壓變換器(也稱為buck變換器)需要較高的輸入電壓并產生較低的輸出電壓。相反,升壓變換器(也稱為boost變換器)采用較低的輸入電壓并產生較高的輸出電壓。

降壓-升壓(Buck-Boost)變換器

降壓-升壓變換器是一種單級變換器,它結合了降壓變換器和升壓變換器的功能,可以在大于或小于輸出電壓的寬輸入電壓范圍內調節輸出。

穩壓器的控制

線性穩壓器的四個基本組件為導通晶體管、誤差放大器、參考電壓和電阻反饋網絡。誤差放大器的其中一個輸入由兩個電阻(R1和R2)來設置,用以監測輸出電壓的百分比。另一個輸入是穩定的參考電壓(VREF)。如果采樣輸出電壓相對于VREF發生變化,則誤差放大器會更改導通晶體管的電阻,以保持輸出電壓(VOUT)的恒定。

線性穩壓器通常只需要一個外部輸入電容和一個輸出電容即可工作,因此易于實現。

而開關穩壓器則需要更多的組件來創建電路。其功率級在VIN和地之間切換,以創建電荷包并傳遞到輸出。與線性穩壓器類似,開關穩壓器也有一個運算放大器,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、補償并濾波。該信號用于調制PWM占空比,以將輸出拉回到穩壓狀態。例如,如果負載電流迅速增大并導致輸出電壓下降,則控制環路會增加PWM占空比,以向負載提供更多電荷,并使電源軌恢復穩定。

線性穩壓器和開關穩壓器的應用

線性穩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,如耳機、可穿戴設備等消費類電子產品物聯網IoT)設備。例如,線性穩壓器可用于助聽器等應用,因為它們沒有會產生意外噪聲并干擾設備性能的開關元件。

另外,如果設計師更注重低成本而不太關心功耗,那線性穩壓器也是最佳選擇。

開關穩壓器適用性更廣,它尤其適用于需要高效率和高性能的應用,例如消費類、工業、企業和汽車應用(請參見圖3)。例如,如果一個應用需要大型降壓解決方案,則開關穩壓器更適合,因為線性穩壓器會產生高功耗,會損壞其他電氣組件。

圖片

圖3: MPQ4430-AEC1降壓變換器

穩壓器芯片的基本參數

使用穩壓器時需要考慮的一些基本參數包括輸入電壓、輸出電壓和輸出電流。這些參數可以確定哪種VR拓撲與用戶芯片兼容。

另外還有一些根據應用不同可能相關的參數,包括靜態電流、開關頻率、熱阻和反饋電壓。

當應用對輕載或待機模式下的效率比較重視時,靜態電流就非常重要。當應用需要緊湊型系統解決方案時,就應考慮開關頻率這個參數,因為最大化開關頻率可以使方案盡可能地小。

此外,參數熱阻對設備散熱以及整個系統中的散熱至關重要。如果控制器中有一個內置MOSFET,則所有損耗(傳導損耗和動態損耗)都將在封裝內消散,在計算芯片最大工作溫度時必須將其考慮在內。

反饋電壓是另一個需要考慮的重要參數,因為它確定了穩壓器可以支持的最低輸出電壓。而檢查參考電壓則是工程師的標準動作,參考電壓限制了較低的輸出電壓,其精度會影響輸出電壓的調節精度。

如何選擇合適的穩壓器

要選擇合適的穩壓器,設計人員必須首先了解關鍵的參數需求,例如VIN, VOUT, IOUT,系統優先級(如效率、性能、成本),以及其他關鍵功能,例如電源正常(PG)指示或啟用控制。

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