電壓調(diào)節(jié)器(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,而不管負(fù)載電流或輸入電壓如何變化。
工程師介紹,我們?cè)陂_發(fā)電子產(chǎn)品的時(shí)候,它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運(yùn)行。因此,為了可靠地滿足特定設(shè)計(jì)或設(shè)計(jì)中不同組件的電源要求,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。這些決定之一,便是穩(wěn)壓器的選擇,因?yàn)樗鼈冇胁煌摹靶螤詈痛笮 保哂胁煌盎ɡ锖凇钡奶匦浴K裕x擇很重要,比如它們?cè)谝粋€(gè)電路中使用時(shí)成為一個(gè)很好的選擇,但在其他電路中可能是一場災(zāi)難。
因此,為電子產(chǎn)品開發(fā)項(xiàng)目選擇合適的調(diào)節(jié)器需要對(duì)選項(xiàng)有透徹的了解,本文將重點(diǎn)關(guān)注這一點(diǎn)。我們將評(píng)估不同類型的電壓調(diào)節(jié)器、它們的工作原理以及何時(shí)使用一種比另一種更有意義。
一、穩(wěn)壓器的類型
電壓調(diào)節(jié)器可以根據(jù)不同的因素進(jìn)行分類,例如它們的應(yīng)用、它們的工作電壓、電源轉(zhuǎn)換機(jī)制等等。
在本文中,我們將重點(diǎn)介紹有源電壓調(diào)節(jié)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:
(1)線性穩(wěn)壓器。
(2)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)換為所需的輸出端電壓。它們采用反饋環(huán)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)涉及使用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)換為熱量,從而導(dǎo)致晶體管發(fā)熱導(dǎo)致功率損失。
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)生熱量,從而導(dǎo)致其擊穿。為了緩解這種情況,設(shè)計(jì)人員通常采用散熱器,其尺寸由通過穩(wěn)壓器吸收的電流(功率)量決定。
對(duì)于線性穩(wěn)壓器,另一點(diǎn)值得一提的是,輸入電壓需要比輸出電壓高出一個(gè)最小值,稱為壓降電壓。該電壓值(通常約為2v)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)人員關(guān)注的主要問題。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的低至100mV的差異下工作。
在下文中,以LM7805線性穩(wěn)壓器為例:
優(yōu)點(diǎn)
線性穩(wěn)壓器的一些優(yōu)點(diǎn)包括:
1.設(shè)計(jì)簡單,易于實(shí)現(xiàn);
2.產(chǎn)生較低的EMI和噪聲;
3.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;
4.輸出紋波電壓低。
缺點(diǎn)
線性穩(wěn)壓器的一些缺點(diǎn)包括:
1.大量電能以熱能形式浪費(fèi),效率低;
2.壓降要求使其成為低功率應(yīng)用的糟糕選擇;
3.由于需要散熱片,在印刷電路板上占用更多空間;
4.大量電能以熱能形式浪費(fèi),效率低;
5.壓降要求使其成為低功率應(yīng)用的糟糕選擇;
6.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)并且需要更多配套元件才能發(fā)揮作用,但開關(guān)穩(wěn)壓器是一種超高效穩(wěn)壓器,用于不能容忍功率損耗(如線性穩(wěn)壓器)的情況。
開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器中的電壓調(diào)節(jié)機(jī)制涉及快速開關(guān)與儲(chǔ)能組件(電容器或電感器)串聯(lián)連接的元件,以定期中斷電流流動(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)斷狀態(tài)。它不耗散功率,并允許穩(wěn)壓器獲得比線性穩(wěn)壓器更高的效率。
開關(guān)穩(wěn)壓器的基本實(shí)現(xiàn)使用在截止或飽和狀態(tài)下運(yùn)行的“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),它的兩端出現(xiàn)可以忽略不計(jì)的壓降,伴隨著少量的功率耗散,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)壓器的效率通常為70%。
基于開關(guān)和PWM的控制提供了很大的靈活性,允許開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器在不同模式下工作并以各種類型存在,包括:
(1)降壓開關(guān)穩(wěn)壓器。
(2)升壓開關(guān)穩(wěn)壓器。
(3)降壓/升壓開關(guān)穩(wěn)壓器。
1.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,將輸入端的高電壓轉(zhuǎn)換為輸出端的低電壓。這種操作類似于線性穩(wěn)壓器的操作,不同之處在于降壓穩(wěn)壓器以更高的效率運(yùn)行。下面提供了說明降壓穩(wěn)壓器中組件排列的圖像。
2.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)行調(diào)節(jié)。下面提供了說明升壓開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器的電路。
3.降壓/升壓穩(wěn)壓器
降壓/升壓穩(wěn)壓器結(jié)合了上述兩個(gè)穩(wěn)壓器的特性。它可以提供固定的輸出電壓,而不管輸入和輸出電壓之間的差異(+或-)。它們?cè)陔姵貞?yīng)用中非常有用,在這些應(yīng)用中,輸入電壓(開始時(shí)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。下面提供了說明降壓/升壓開關(guān)穩(wěn)壓器的電路:
缺點(diǎn)
與開關(guān)穩(wěn)壓器一樣高效和完美,它們也有缺點(diǎn),其中包括:
1.復(fù)雜的設(shè)計(jì);
2.需要更多額外組件;
3.貴;
4.如果管理不當(dāng),可能會(huì)影響產(chǎn)品認(rèn)證的高EMI和噪聲生成率
5.高輸出電壓紋波;
6.與線性穩(wěn)壓器相比,瞬態(tài)恢復(fù)時(shí)間更慢。
優(yōu)點(diǎn)
根據(jù)您的應(yīng)用,開關(guān)穩(wěn)壓器的優(yōu)勢可能會(huì)超過其劣勢。其中一些優(yōu)點(diǎn)包括:
1.體積小;
2.高效率;
3.它們可以提供大于或小于輸入電壓的輸出電壓;
4.適合低功耗應(yīng)用;
5.體積小;
6.高效率;
7.它們可以提供大于或小于輸入電壓的輸出電壓;
8.適合低功耗應(yīng)用。
二、為電子產(chǎn)品開發(fā)項(xiàng)目選擇合適的穩(wěn)壓器
為您的項(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。可以通過簡單地考慮它們的優(yōu)缺點(diǎn)并決定哪一個(gè)最適合您來在兩者之間進(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)以確保它非常適合您的項(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)與您的應(yīng)用所需的值相匹配。對(duì)于某些穩(wěn)壓器,可能需要外部組件來將輸出電壓保持在所需的電壓水平上。所有這些都應(yīng)該在為您的項(xiàng)目給調(diào)節(jié)器蓋上橡皮圖章之前確認(rèn)。
2.輸出電流
電壓調(diào)節(jié)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)載出現(xiàn)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。
始終確保您選擇的穩(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,確保應(yīng)用的可能輸入電壓在該范圍內(nèi)很重要。大多數(shù)初級(jí)設(shè)計(jì)人員在解決此問題時(shí)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會(huì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)誤差,尤其是在線性穩(wěn)壓器的情況下。了解這些值將幫助您估計(jì)穩(wěn)壓器因線性穩(wěn)壓器產(chǎn)生過多熱量或開關(guān)穩(wěn)壓器故障而發(fā)生故障的條件。
4.工作溫度范圍
在大多數(shù)數(shù)據(jù)表中定義為環(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,尤其是對(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.壓降
這在選擇線性穩(wěn)壓器時(shí)很重要。如前所述,壓差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,使用具有低壓降電壓的穩(wěn)壓器是有意義的。
還需要考慮其他因素,如效率、封裝尺寸、瞬態(tài)響應(yīng)和潛在的EMI噪聲生成。
總之,決定使用哪種穩(wěn)壓器的簡單方法是首先根據(jù)其優(yōu)缺點(diǎn)來決定線性穩(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)影響您的設(shè)計(jì)。盡管這種盡職調(diào)查有時(shí)感覺沒有必要,但它可能對(duì)您的項(xiàng)目的成功非常重要。
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