工業(yè)與汽車應(yīng)用中的降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器與LDO

自主控制在工業(yè)與汽車應(yīng)用中都極為常見(jiàn)，很多自主控制都依賴電流環(huán)路。以工業(yè)應(yīng)用為例，電流環(huán)路在雙向工作的控制回路中普遍存在，環(huán)路將測(cè)量值從傳感器傳送到可編程邏輯控制器PLC，反過(guò)來(lái)將控制輸出從PLC傳送到過(guò)程調(diào)制設(shè)備。

在這種系統(tǒng)中，電流環(huán)路的電源通常來(lái)說(shuō)是通過(guò)線性穩(wěn)壓器供電。雖然傳統(tǒng)上一直如此，但是線性穩(wěn)壓器也有其缺點(diǎn)，效率相對(duì)較低且電流容量有限。一般來(lái)說(shuō)，如果輸入電壓和輸出電壓很接近，那么線性穩(wěn)壓器也能達(dá)到很高的效率，但如果不接近，壓降太大，消耗在線性穩(wěn)壓器上的能量會(huì)增加不少，這時(shí)候就很容易影響效率。一旦效率變低，會(huì)帶來(lái)各種控制系統(tǒng)功能問(wèn)題。

降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器代替線性穩(wěn)壓器

與線性穩(wěn)壓器相比，降壓穩(wěn)壓器在電流容量上更高、輸入范圍上更寬，進(jìn)而系統(tǒng)效率也會(huì)有所提升，因此用降壓穩(wěn)壓器取代許多電流環(huán)路系統(tǒng)中的線性穩(wěn)壓器不失為一種提高性能的方法。

在標(biāo)準(zhǔn)的4 mA至20 mA電流環(huán)路中，電路通常設(shè)計(jì)為不需要額外的電源，直接從電流環(huán)路中獲取功率。如果不添加額外的功能和特性，那么傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器倒也完全能夠勝任。但是無(wú)法提供額外電流能力的線性穩(wěn)壓器在各種功能加入進(jìn)系統(tǒng)后開(kāi)始成了限制。高負(fù)載能力的降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器則不存在這種限制，而且更高的效率可以降低環(huán)路系統(tǒng)設(shè)計(jì)熱負(fù)擔(dān)。

另一方面，在工業(yè)以及汽車級(jí)應(yīng)用中，傳感器端的電壓在瞬變器件可能會(huì)到很高，這就是我們上面說(shuō)到的輸入電壓和輸出電壓不接近的情況。這種情況在工業(yè)以及汽車級(jí)應(yīng)用中并不少見(jiàn)。只有足夠?qū)挼碾妷悍秶慕祲盒烷_(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器才能簡(jiǎn)化可能發(fā)生大電壓瞬變的汽車和工業(yè)應(yīng)用的嚴(yán)苛設(shè)計(jì)要求。

低靜態(tài)電流與高效率降壓穩(wěn)壓器閉合電流環(huán)路

在4 mA至20 mA電流環(huán)路應(yīng)用中，如果使用降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器來(lái)代替LDO，那么低靜態(tài)電流、高效率、寬輸入范圍都必不可少。同時(shí)組件必須在－40℃至+125℃的擴(kuò)展工業(yè)范圍內(nèi)保持高精度、低功耗的可靠運(yùn)行。

上圖是以ADI的LT8618系列構(gòu)建的環(huán)路，LT8618系列高速同步單片降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器在恒定頻率（甚至高達(dá)2.2MHz）下，可向輸出高效提供高達(dá)100mA的電流。相比于LDO，降壓穩(wěn)壓器可以倍增提供給負(fù)載的輸入電流，額外的負(fù)載能力大大增加了額外的設(shè)計(jì)空間和啟，能夠簡(jiǎn)化一部分系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。一般來(lái)說(shuō)，這類器件中所有必要電路都會(huì)配備頂部和底部電源開(kāi)關(guān)減少對(duì)外部組件的需求，就簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)難度來(lái)說(shuō)優(yōu)勢(shì)很明顯。

同樣以該系列為例，在高達(dá)65V（僅瞬變條件下，連續(xù)工作條件下為60V）的寬輸入電壓范圍里，降壓穩(wěn)壓器在瞬變模式下僅消耗2.5μA的靜態(tài)電流，超低的靜態(tài)電流將輸出紋波也能控制在很好的水平。在瞬變條件下，LDO穩(wěn)壓器效率非常低，降壓穩(wěn)壓器在高降壓比下也十分高效。像LT8618系列這種同步降壓效率能達(dá)到90%以上（理想條件下）。

低導(dǎo)通與紋波限制

導(dǎo)通時(shí)間的縮短有助于獲得更大的降壓比，低導(dǎo)通時(shí)間的降壓穩(wěn)壓器意味著支持從不同電壓等級(jí)輸入到低電壓軌的直接降壓轉(zhuǎn)換，從而降低系統(tǒng)復(fù)雜性和成本。在高開(kāi)關(guān)頻率下，能夠穩(wěn)定保持低導(dǎo)通時(shí)間的器件性能優(yōu)勢(shì)更明顯。

另一方面，浪涌以及紋波是這類器件在使用時(shí)要著重考慮的問(wèn)題。要抑制紋波，降壓穩(wěn)壓器的輸入電容至關(guān)重要。滿足紋波電流和紋波電壓要求的最小輸入電容是最好的選擇。有些還會(huì)針對(duì)EMI要求進(jìn)行優(yōu)化，包括由壓擺率控制的自適應(yīng)柵極驅(qū)動(dòng)器，擴(kuò)頻可降低峰值發(fā)射。

小結(jié)

工業(yè)和汽車系統(tǒng)中，高效降壓穩(wěn)壓器替換LDO穩(wěn)壓器，在效率和性能上是沒(méi)什么問(wèn)題的。尺寸上，LDO需要的外接元件很少，一般只需要一到兩個(gè)旁路電容即可。如果高效降壓穩(wěn)壓器能做到很緊湊，在尺寸上也能接受。