電子產品開發：不同類型的穩壓器及工作原理

電壓調節器（穩壓器）是一種集成電路，旨在將其輸入端的電壓調節到其輸出端的恒定、固定電壓，而不管負載電流或輸入電壓如何變化。

英銳恩單片機開發工程師介紹，我們在開發電子產品的時候，它通常由不同的電子元件組成，這些電子元件有時在不同的電壓水平下運行。因此，為了可靠地滿足特定設計或設計中不同組件的電源要求，通常在電源單元中使用穩壓器來將主電源的電壓調節到設備不同部分所需的電壓。

在為任何設備設計電源單元時，總是需要做出大量決定。這些決定之一，便是穩壓器的選擇，因為它們有不同的“形狀和大小”，具有不同“花里胡哨”的特性。所以，選擇很重要，比如它們在一個電路中使用時成為一個很好的選擇，但在其他電路中可能是一場災難。

因此，為電子產品開發項目選擇合適的調節器需要對選項有透徹的了解，本文將重點關注這一點。我們將評估不同類型的電壓調節器、它們的工作原理以及何時使用一種比另一種更有意義。

一、穩壓器的類型

電壓調節器可以根據不同的因素進行分類，例如它們的應用、它們的工作電壓、電源轉換機制等等。

在本文中，我們將重點介紹有源電壓調節器，并根據它們用于調節的機制將它們分為兩大類。這兩個類別包括：

（1）線性穩壓器。
（2）開關穩壓器。

1.線性穩壓器

線性穩壓器使用分壓器的原理將其輸入端的電壓轉換為所需的輸出端電壓。它們采用反饋環路自動改變系統中的電阻，以抵消負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。

線性穩壓器的典型實現涉及使用FET作為分壓器的一側，反饋回路連接到晶體管的柵極，根據需要驅動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壓器的設計和實現，但它在很大程度上導致了與穩壓器相關的低效率。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）轉換為熱量，從而導致晶體管發熱導致功率損失。

在輸入電壓或輸出負載電流過高的情況下，穩壓器可能會產生熱量，從而導致其擊穿。為了緩解這種情況，設計人員通常采用散熱器，其尺寸由通過穩壓器吸收的電流（功率）量決定。

對于線性穩壓器，另一點值得一提的是，輸入電壓需要比輸出電壓高出一個最小值，稱為壓降電壓。該電壓值（通常約為2v）因穩壓器而異，有時由于功率損耗而成為從事低功率應用的設計人員關注的主要問題。作為解決此問題的一種方法，使用一種稱為LDO（低壓差）穩壓器的線性穩壓器，因為它們的設計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線性穩壓器為例：

優點

線性穩壓器的一些優點包括：

1.設計簡單，易于實現；
2.產生較低的EMI和噪聲；
3.對負載電流或輸入電壓條件變化的快速響應時間；
4.輸出紋波電壓低。

缺點

線性穩壓器的一些缺點包括：

1.大量電能以熱能形式浪費，效率低；
2.壓降要求使其成為低功率應用的糟糕選擇；
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，效率低；
5.壓降要求使其成為低功率應用的糟糕選擇；
6.由于需要散熱片，在印刷電路板上占用更多空間；
2.開關穩壓器。

盡管它們具有更復雜的設計并且需要更多配套元件才能發揮作用，但開關穩壓器是一種超高效穩壓器，用于不能容忍功率損耗（如線性穩壓器）的情況。

開關電壓調節器中的電壓調節機制涉及快速開關與儲能組件（電容器或電感器）串聯連接的元件，以定期中斷電流流動并將電壓從一個值轉換為另一個值。如何做到這一點取決于反饋機制的控制信號，例如線性穩壓器中采用的反饋機制。

與線性穩壓器不同，開關元件要么處于完全導通狀態，要么處于關斷狀態。它不耗散功率，并允許穩壓器獲得比線性穩壓器更高的效率。

開關穩壓器的基本實現使用在截止或飽和狀態下運行的“傳輸晶體管”作為開關元件。當傳輸晶體管處于截止狀態時，沒有電流流過它，因此沒有功率耗散，但是當它處于飽和狀態時，它的兩端出現可以忽略不計的壓降，伴隨著少量的功率耗散，最大電流被轉發到負載。由于開關動作和在截止狀態期間節省的能量，開關穩壓器的效率通常為70%。

基于開關和PWM的控制提供了很大的靈活性，允許開關電壓調節器在不同模式下工作并以各種類型存在，包括：

（1）降壓開關穩壓器。
（2）升壓開關穩壓器。
（3）降壓/升壓開關穩壓器。

1.降壓開關穩壓器

降壓開關穩壓器，也稱為降壓穩壓器，將輸入端的高電壓轉換為輸出端的低電壓。這種操作類似于線性穩壓器的操作，不同之處在于降壓穩壓器以更高的效率運行。下面提供了說明降壓穩壓器中組件排列的圖像。

2.升壓開關穩壓器

升壓開關穩壓器，也稱為升壓穩壓器，可以將輸入端的低電壓轉換為輸出端的較高電壓。它們的配置是線性穩壓器和開關穩壓器之間的主要區別之一，因為如果線性穩壓器的輸入電壓大于其輸出所需的電壓，則不會進行調節。下面提供了說明升壓開關電壓調節器的電路。

3.降壓/升壓穩壓器

降壓/升壓穩壓器結合了上述兩個穩壓器的特性。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-）。它們在電池應用中非常有用，在這些應用中，輸入電壓（開始時可能高于輸出電壓）隨著時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/升壓開關穩壓器的電路：

缺點

與開關穩壓器一樣高效和完美，它們也有缺點，其中包括：

1.復雜的設計；
2.需要更多額外組件；
3.貴；
4.如果管理不當，可能會影響產品認證的高EMI和噪聲生成率
5.高輸出電壓紋波；
6.與線性穩壓器相比，瞬態恢復時間更慢。

優點

根據您的應用，開關穩壓器的優勢可能會超過其劣勢。其中一些優點包括：

1.體積??；
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.適合低功耗應用；
5.體積??；
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.適合低功耗應用。

二、為電子產品開發項目選擇合適的穩壓器

為您的項目選擇合適的穩壓器通常不是在線性穩壓器或開關穩壓器之間進行選擇的問題?？梢酝ㄟ^簡單地考慮它們的優缺點并決定哪一個最適合您來在兩者之間進行選擇。但是，需要驗證穩壓器的其他特定屬性（開關或線性）以確保它非常適合您的項目。其中五個基本屬性描述如下：

1.輸出電壓（或電壓范圍）

這可能是監管機構首先要注意的事情。確保穩壓器的輸出電壓（或電壓范圍）與您的應用所需的值相匹配。對于某些穩壓器，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。所有這些都應該在為您的項目給調節器蓋上橡皮圖章之前確認。

2.輸出電流

電壓調節器的設計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載可能會導致穩壓器損壞或負載出現故障。這在線性穩壓器的情況下更為重要，因為電流對功率損耗有直接影響。

始終確保您選擇的穩壓器能夠承受預期的負載電流。

3.輸入電壓范圍

這是指穩壓器支持的輸入電壓的容許范圍。它通常在數據表中指定，作為設計人員，確保應用的可能輸入電壓在該范圍內很重要。大多數初級設計人員在解決此問題時犯的一個錯誤是只關注最大輸入電壓，而忘記了低于指定最小電壓的輸入電壓可能會導致調節誤差，尤其是在線性穩壓器的情況下。了解這些值將幫助您估計穩壓器因線性穩壓器產生過多熱量或開關穩壓器故障而發生故障的條件。

4.工作溫度范圍

在大多數數據表中定義為環境溫度(Ta)或結溫，工作溫度范圍是穩壓器正常工作的溫度范圍。更具體地說，結溫通常是指晶體管的最高工作溫度。相反，環境溫度是指設備周圍環境的溫度。這兩個值都很重要，尤其是對于線性穩壓器，因為它們有助于為穩壓器選擇完美的散熱器。

5.壓降

這在選擇線性穩壓器時很重要。如前所述，壓差是指輸入電壓必須大于輸出電壓才能進行調節的量。雖然這對于大多數應用來說可能不是一個重要的考慮因素，但對于效率和低功耗考慮很重要的應用，使用具有低壓降電壓的穩壓器是有意義的。

還需要考慮其他因素，如效率、封裝尺寸、瞬態響應和潛在的EMI噪聲生成。

總之，決定使用哪種穩壓器的簡單方法是首先根據其優缺點來決定線性穩壓器還是開關穩壓器是最佳選擇。在此決策級別之后，可以對調節器的屬性進行進一步調查，因為它可能會影響您的設計。盡管這種盡職調查有時感覺沒有必要，但它可能對您的項目的成功非常重要。

以上就是英銳恩單片機開發工程師分享的“電子產品開發：不同類型的穩壓器及工作原理”。英銳恩專注單片機應用方案設計與開發，提供8位單片機、16位單片機、32位單片機。