DC-DC轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)：功率轉(zhuǎn)換中的開關(guān)穩(wěn)壓器與線性穩(wěn)壓器

大多數(shù)設(shè)計(jì)人員談?wù)摴β收{(diào)節(jié)和DC-DC轉(zhuǎn)換時(shí)，他們專注于效率并談?wù)撻_關(guān)調(diào)節(jié)器。比較開關(guān)穩(wěn)壓器與線性穩(wěn)壓器時(shí)，這是有道理的。對于低電平電路，可以使用高效的開關(guān)穩(wěn)壓器作為IC。那么線性穩(wěn)壓器在哪里適合DC-DC轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，您如何在功率調(diào)節(jié)策略中使用它們呢？

通常，是使用開關(guān)穩(wěn)壓器還是線性穩(wěn)壓器，還是級聯(lián)穩(wěn)壓器的組合，取決于未穩(wěn)壓源的性質(zhì)。如果您專門設(shè)計(jì)功率調(diào)節(jié)器來適應(yīng)電源的行為，則可以減少組件數(shù)量和系統(tǒng)復(fù)雜性。這是每種類型的調(diào)節(jié)器如何在DC-DC轉(zhuǎn)換中發(fā)揮作用，以及如何設(shè)計(jì)電路以適應(yīng)未調(diào)節(jié)的電源。

功率轉(zhuǎn)換中的開關(guān)穩(wěn)壓器與線性穩(wěn)壓器

開關(guān)穩(wěn)壓器和線性穩(wěn)壓器用于各種系統(tǒng)，并且多個(gè)穩(wěn)壓器可以級聯(lián)（即，串聯(lián)放置）。轉(zhuǎn)換為高直流電壓后，通常會(huì)使用另一個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器/ VRM為特定電路模塊提供所需的輸出電壓?；蛘?，您可以在輸出級使用線性穩(wěn)壓器來提供穩(wěn)定的輸出，并留有一定的余量。這是放置低壓差穩(wěn)壓器的典型位置。

這種將多個(gè)調(diào)節(jié)器串聯(lián)放置的調(diào)節(jié)策略非常普遍，并且比單個(gè)調(diào)節(jié)器具有多個(gè)優(yōu)勢。下面顯示了顯示此示例策略的框圖。

適應(yīng)交流電源

上述策略旨在在非穩(wěn)壓DC和穩(wěn)壓DC之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，但也可以與AC線路輸入一起使用。為此，只需在第一個(gè)開關(guān)轉(zhuǎn)換器的輸入處放置一個(gè)全波二極管電橋。

開關(guān)轉(zhuǎn)換器會(huì)在未調(diào)節(jié)的輸入AC電流上引起諧波失真，從而降低調(diào)節(jié)器的整體效率。因此，功率因數(shù)校正（PFC）電路用于消除AC電流尖峰并使輸入AC電流呈現(xiàn)正弦波并帶有一些波紋。根據(jù)歐洲EMC準(zhǔn)則，必須使用PFC電路，這有助于減少主電源消耗的過多功率。

轉(zhuǎn)換器安排

上圖中的第一轉(zhuǎn)換器級通常是開關(guān)穩(wěn)壓器。這樣做是因?yàn)檗D(zhuǎn)換器通常需要將高電壓信號降壓到中等或低電壓電平。轉(zhuǎn)換器還需要配置為具有較高的PSRR，以便在相關(guān)頻率范圍內(nèi)提供較大的噪聲/紋波抑制。

上述策略中的輸出轉(zhuǎn)換器可以是開關(guān)穩(wěn)壓器或線性穩(wěn)壓器，具體取決于確切的功率要求，第一轉(zhuǎn)換器級中的任何控制機(jī)制以及未穩(wěn)壓電源的行為。

就紋波噪聲而言，線性穩(wěn)壓器趨向于在更寬的頻率范圍內(nèi)提供紋波抑制，從而使其可用于抑制來自上游穩(wěn)壓器的寬帶噪聲。這是上述策略中經(jīng)常在輸出上使用線性穩(wěn)壓器的原因之一。

通常在輸出上使用的線性穩(wěn)壓器是LDO穩(wěn)壓器。只要輸入電壓高于調(diào)節(jié)器的裕量，這些調(diào)節(jié)器就會(huì)使用運(yùn)算放大器將調(diào)節(jié)器的輸出設(shè)置為所需的電平。開關(guān)穩(wěn)壓器也可以用于輸出，這再次取決于所需的降壓電平，輸入到最終穩(wěn)壓器的信號是否會(huì)變化以及它是否包含控制電路。

開關(guān)穩(wěn)壓器與線性穩(wěn)壓器的比較

由于第一個(gè)轉(zhuǎn)換器通常會(huì)提供較大的輸入電壓降壓，因此一般在此階段使用開關(guān)穩(wěn)壓器。這是因?yàn)殚_關(guān)穩(wěn)壓器非常高效，如下表所示。開關(guān)穩(wěn)壓器的三種常見拓?fù)涫墙祲海ń祲海龎海ㄉ龎海┗蚪祲?升壓（可通過調(diào)節(jié)PWM信號的占空比進(jìn)行配置）。如上所述，最后的調(diào)節(jié)器級可以是線性調(diào)節(jié)器或LDO調(diào)節(jié)器。

下面的流程圖顯示了一種典型的功率調(diào)節(jié)策略，其中在電源轉(zhuǎn)換器的輸出上使用了LDO。開關(guān)轉(zhuǎn)換器將未穩(wěn)壓的輸入降壓并抑制低頻紋波。第二個(gè)開關(guān)轉(zhuǎn)換器將輸出剛好高于LDO裕量的電壓，并且LDO將輸出所需的電壓電平。

第二個(gè)穩(wěn)壓器上的反饋電路可以補(bǔ)償輸入電壓電平的任何上游變化。在這種情況下，當(dāng)電壓輸出下降到選定電平以下時(shí)，反饋電路會(huì)增加第二個(gè)穩(wěn)壓器中的PWM占空比，從而補(bǔ)償穩(wěn)壓器輸出上的任何電壓下降。當(dāng)非穩(wěn)壓電源可能來自電池，機(jī)電逆變器或其他輸入范圍較大的電源時(shí)，這種情況很常見。
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