在一個迷人的便攜式設備（如智能手機和平板電腦）占據頭條新聞的世界中，很容易忘記大多數消費電子產品從主電源獲取電力。然而，這些產品使用相同的敏感硅 - 需要穩定的低壓電源 - 與其手持設備一樣。

本文介紹了主電源設備中功率調節的基礎知識，來自線路變壓器將高電源電壓轉換為隔離低電壓，通過交流線路整流方法將交流電壓轉換為直流電，然后轉換為直流/直流轉換器選項，提供電子設備所需的穩定低壓輸出。

本文包括一個樣本計算，用于演示開關穩壓器如何比用于主電源的低壓差（LDO）線性穩壓器更有效的解決方案，從而實現更緊湊的設計，不需要散熱片來消除多余的熱量。

降低電源電壓

盡管全球主電源插座提供的交流電壓為90至264 V，頻率范圍為47至63 Hz，幾乎所有辦公室和家庭設備不能插直在沒有某種功率轉換的情況下進入墻壁插座。

交流輸入通常必須降壓，并在很寬的輸入線波動和輸出負載范圍內調節電壓。另一個挑戰是確保來自電源的DC輸出不包括顯著的AC分量，其表現為電壓紋波。大多數硅電路需要一個穩壓電源，其輸出紋波不超過輸出電壓的百分之一。更重要的是，為了使生活更加困難，通常需要電源來提供多種輸出電壓和負載能力。圖1顯示了辦公室或家庭設備的典型電源的簡單示意圖。

圖1：此電源轉換交流電源電壓三種不同輸出負載下的三個直流電壓輸出（美國國家半導體公司提供）。

主電源電壓很高，對人類和電氣設備都很危險;所以電源的第一個要求是隔離變壓器。這樣可以對交流電源進行整流，并將電壓降低到穩壓器可以安全處理的水平。

交流線路整流有三種常見的拓撲結構：全橋，中心抽頭全橋，半橋。全橋是最有效的技術，但在設計中需要四個二極管，因此更貴一些。中心抽頭的全橋省去了兩個二極管，但需要更多的匝數來改變變壓器的次級線圈。每個全橋整流拓撲結構的輸出紋波相似。

半橋設計成本最低，但在次級繞組上產生直流偏置，因此僅適用于低 - 電流輸出。電壓紋波也大于全橋設計。圖2顯示了三種不同的AC整流技術，以及它們從108到132 V電源產生的電壓范圍。

圖2：交流線路整流方法（美國國家半導體公司提供）。

雖然可以使用交流整流器降壓，但是是令人震驚的監管機構。事實上，即使對于使用理想變壓器的設備，輸出的調節也不會比輸入更好。因此，例如，如果AC線路變化典型值為±10％，那么輸出電壓容差將不會優于±10％。

理想變壓器不存在，因此設計人員必須考慮到變壓器繞組的電阻。該電阻的作用是根據負載改變輸出電壓。這種影響很復雜，可以在一個可信賴的舊的，但仍然適用的參考工作中找到明確的分析.1盡管如此，考慮到所有影響，交流整流器的凈負載調節可以在10％到40％之間變化。這種波動程度對于現代電子元件來說是不可接受的。

DC/DC轉換

交流整流器的輸出雖然與主電源隔離并且電壓遠低于主電源，直接應用于硅元件是不安全的。整流器的輸出必須經過另一個調節階段，以確保穩定，相對無紋波的輸出，適合為辦公室或家庭設備供電。有三種常用的方法可以做到這一點：線性調節，開關調節或反激調節。

上面圖1所示的例子需要AC整流器的三個輸出，每個輸出都連接到線性穩壓器。盡管如此，這種電源設計最簡單，并且元件數量最少。

另一種安排是采用三個降壓（“降壓”）開關穩壓器。這種設計可能更復雜，但只需要AC整流器的單個輸出。

另一種選擇是使用反激式穩壓器。圖3顯示了使用交流線路整流和線性，開關或反激調節的電源示意圖。這是一種高效率的選擇，但它比使用開關穩壓器更復雜。反激式穩壓器適用于特定應用，特別是在需要負輸出時，但對于本文中討論的示例而言，它不是一個好的解決方案。因此，進一步的討論將限于線性和開關穩壓器類型。

圖3：調節交流整流電壓的替代方案（國家提供）半導體）。

圖4顯示了當連接到圖2所示的交流整流器輸出時，線性穩壓器如何用于獲得所需的穩壓輸出電壓。（注意，整流變壓器繞組上的大容量電容值可以降低取決于所使用的變壓器。只要電壓不低于線性穩壓器的壓差電壓，線性穩壓器就可以很好地抑制變壓器輸出端的紋波電壓。

圖4：使用線性穩壓器的電源。相對低效率需要使用散熱器（美國國家半導體公司提供）。

線性穩壓器的一個主要缺點是它們效率不高，除非輸入和輸出之間的差異很小。功率通過串聯電阻耗散，產生過多的熱量，需要使用散熱片。

從公式計算線性穩壓器的功率損耗很簡單：

PLOSS = VIN x IGND +（VIN -VOUT）x IL

其中VIN是變壓器的平均直流電壓，IGND是滿載時的接地引腳電流（參見元件數據手冊），IL是輸出電流。

在此示例中，線性穩壓器中的功率損耗計算假定變壓器的132 V AC輸入和輸出的滿負載。這是最壞情況。

對于選擇用于1 A DC 3.3 V輸出的National Semiconductor LM3940 LDO線性穩壓器，VIN約為5.5 V DC，計算出的功率損耗為2.8 W （IGND = 110 mA）。

對于選擇0.5 A DC 5.0 V輸出的LP2960 LDO線性穩壓器，VIN約為7.3 V DC，計算出的功率損耗為1.3 W（IGND =對于在0.25 A DC下選擇用于12 V輸出的LM2952 LDO穩壓器，VIN約為15.9 V DC，計算出的功率損耗為1.3 W（IGND = 21 mA，最大值為21 mA，最大值）。

最大值）。

因此，總輸出功率為8.8 W，總功率損耗為5.4 W.因此，線路變壓器必須至少提供14.2 W.如果使用成本較低的非LDO，則會額外增加3.8。 -W損耗（由于所需的輸入電壓較高，因較低的電源電流而抵消）。這將導致變壓器尺寸增加27％。

如果使用帶有單繞組的簡單變壓器與LDO線性穩壓器，額外損耗將為14.9 W，其中12 W將是損耗在3.3V穩壓器中，將電壓從14V繞組降低。

相對低效的LDO線性穩壓器的替代方案是使用開關器件。圖5顯示了這樣的布局。

圖5：使用線性穩壓器的電源效率更高，可以使用更小，更簡單的電源變壓器。

該解決方案使用三個開關穩壓器，National Semiconductor的LM2825和LM2594型號。在這種情況下，圖4中的三種形式的交流整流已經被一個供電電壓在14到40 V之間的變壓器所取代。同樣，輸入電容的尺寸可能會減小，紋波抑制也很好。

該開關穩壓器解決方案的整體效率約為80％。因此，線路變壓器只需要提供11 W而不是線性穩壓器示例中使用的14.2 W.由于降低了功率要求，因此該解決方案中使用的變壓器比線性穩壓器解決方案中使用的變壓器小22％。由于只需要一個輸出繞組，因此簡化了變壓器的制造.2。

主電源設備需要交流整流和DC/DC調節，以便為精密電子元件提供穩定的低電壓。線性和開關穩壓器都是DC/DC轉換的選項。使用線性穩壓器的電源更簡單，但使用開關穩壓器的設計可提供更高的效率。