9個(gè)穩(wěn)壓器選型要素總結(jié)

今天給大家分享的是：穩(wěn)壓器選型、如何選擇合適的穩(wěn)壓器。

一、什么是穩(wěn)壓器？

穩(wěn)壓器是一種電路，可以產(chǎn)生并保持固定的輸出電壓，不管輸入電壓或負(fù)載條件如何變化。穩(wěn)壓器 (VR) 將電源電壓保持在與其他電子元件兼容的范圍內(nèi)。雖然穩(wěn)壓器最常用于 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換，但有些也可以執(zhí)行 AC/AC 或 AC/DC 電源轉(zhuǎn)換。

穩(wěn)壓器通常用于需要微調(diào)電壓的地方。例如：在無線電話中，可能會(huì)有一個(gè)交流適配器。可以將120VAC 電源轉(zhuǎn)換為 8VAC。然后在手機(jī)底座內(nèi)部，也會(huì)有一個(gè)穩(wěn)壓器，可以為底座中的電子設(shè)備提供所需的直流電壓。

在復(fù)雜的機(jī)電設(shè)備中，不同的原件需要不同的電壓，對(duì)穩(wěn)壓器的需要就更為明顯。例如：計(jì)算機(jī)會(huì)使用墻上的插頭適配器將 120VAC 轉(zhuǎn)換為較低電壓。然后主板、冷卻風(fēng)扇和硬盤驅(qū)動(dòng)器等不同的內(nèi)部組件需要特定的電壓才能運(yùn)行。這里就介紹一下怎么選擇合適的穩(wěn)壓器。

二、穩(wěn)壓器的類型

穩(wěn)壓器可分為2大類：

降壓：輸出電壓低于輸入電壓

升壓：輸出電壓大于輸入電壓

如果你確定了你的輸入和輸出電壓，可以幫助你選擇哪一種穩(wěn)壓器。

從另一方面來分，分為2類：

線性：簡單、便宜且無噪音，但電源效率可能較低，通常來說線性穩(wěn)壓器只能降低電壓。

開關(guān)：電源效率高、但復(fù)雜、昂貴并且輸出噪聲更大。

線性穩(wěn)壓器

線性穩(wěn)壓器使用晶體管和反饋控制環(huán)路來調(diào)節(jié)輸出電壓。線性穩(wěn)壓器只能產(chǎn)生低于輸入電壓的輸出電壓。

線性穩(wěn)壓器比開關(guān)穩(wěn)壓器便宜得多且使用起來更簡單，通常來說是首選，如果你不想使用線性穩(wěn)壓器的原因應(yīng)該是功耗太高或者升壓電壓。

三、穩(wěn)壓器的選擇

1、輸入電壓與輸出電壓

選擇穩(wěn)壓器的第一步是確定你將使用的輸入電壓和輸出電壓。線性穩(wěn)壓器需要高于額定輸出電壓的輸入電壓。如果輸入電壓小于所需的輸出電壓，則會(huì)導(dǎo)致電壓不足的情況，從而導(dǎo)致穩(wěn)壓器掉落并提供未穩(wěn)壓的輸出。

如，如果使用具有 2V 壓降電壓的 5V 穩(wěn)壓器，則輸入電壓應(yīng)至少等于 7V以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出，輸入電壓低于 7V 將導(dǎo)致輸出電壓不穩(wěn)定。

穩(wěn)壓器

針對(duì)不同的輸入和輸出電壓范圍，有不同類型的穩(wěn)壓器。例如，你需要一個(gè)用于 Arduino Uno 的 5V 穩(wěn)壓器和一個(gè)用于 ESP8266 的 3.3V 穩(wěn)壓器，你甚至可以使用可用于一系列輸出應(yīng)用的可變電壓調(diào)節(jié)器。

2、壓差

穩(wěn)壓器的壓降可以定義為輸入和輸出電壓之差。例如，調(diào)節(jié)器 (7805) 的最小輸入電壓為 7 V，輸出為 5 V，因此 7805 的壓差為 2 V。如果輸入電壓小于 7 V，則輸出 (5 V) 加上壓降 (2 V) 會(huì)導(dǎo)致不受調(diào)節(jié)的輸出，在應(yīng)用中是很危險(xiǎn)的。

不同的穩(wěn)壓器可能有不同的壓降電壓；假設(shè)可以找到具有不同壓降電壓的一系列 5 V 穩(wěn)壓器。具有極低壓差電壓的線性穩(wěn)壓器可以非常高效。因此，如果使用電池作為電源，則可以使用低壓差穩(wěn)壓器來提高效率。

3、功耗

雖然線性穩(wěn)壓器便宜且易于使用，但主要缺點(diǎn)是可能浪費(fèi)大量功率。這會(huì)導(dǎo)致電池過度消耗、過熱或產(chǎn)品損壞。如果你的電池產(chǎn)品以熱量的形式浪費(fèi)掉，那么電池耗盡的速度會(huì)很快，如果不是電池產(chǎn)品的電能以熱量的形式浪費(fèi)掉，也會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)出現(xiàn)其他問題。事實(shí)上，在某些條件下，線性穩(wěn)壓器會(huì)產(chǎn)生大量熱量，以至于它基本上會(huì)自毀。

使用線性穩(wěn)壓器時(shí)，首先要確定穩(wěn)壓器將耗散多少功率。

對(duì)于線性穩(wěn)壓器，使用等式：

功率 =（輸入電壓 – 輸出電壓）x 電流 （等式 1）

可以假設(shè)輸出電流（也稱為負(fù)載電流）與線性穩(wěn)壓器的輸入電流大致相同。實(shí)際上，輸入電流等于輸出電流加上線性穩(wěn)壓器執(zhí)行調(diào)節(jié)功能所消耗的靜態(tài)電流。對(duì)于大多數(shù)穩(wěn)壓器而言，靜態(tài)電流與負(fù)載電流相比非常小，因此假設(shè)輸出電流等于輸入電流就足夠了。

從等式 1 中可以看出，如果穩(wěn)壓器兩端存在較大的電壓差 (Vin – Vout) 和/或高負(fù)載電流，則穩(wěn)壓器將耗散大量功率。例如，如果輸入為 12 V，輸出為 3.3 V，則電壓差計(jì)算為 12 V – 3.3 V = 8.7 V。

如果負(fù)載電流為 1 A，則意味著穩(wěn)壓器必須耗散 8.7 W 的功率，能量浪費(fèi)太多了，并且超過了任何線性穩(wěn)壓器能夠處理的范圍。另一方面，如果你有一個(gè)高壓差，但你只運(yùn)行幾毫安的負(fù)載電流，那么功率就會(huì)很小。

例如，在上述情況下，如果現(xiàn)在僅運(yùn)行 100 mA 的負(fù)載電流，則功耗將降至僅 0.87 W，這對(duì)大多數(shù)線性穩(wěn)壓器都會(huì)更好運(yùn)行。

選擇線性穩(wěn)壓器時(shí)，僅僅確保輸入電壓、輸出電壓和負(fù)載電流滿足穩(wěn)壓器的規(guī)格是不夠的。

例如，假設(shè)有一個(gè)額定電壓高達(dá) 15 V 和電流為 1 A 的線性穩(wěn)壓器。你可能會(huì)想：可以在輸入端施加 12 V，在輸出端施加 3.3 V，并以 1 A 運(yùn)行，對(duì)吧？

但其實(shí)這是錯(cuò)誤，你必須要確保線性穩(wěn)壓器可以處理那么大的功率，這樣做的方法是根據(jù)穩(wěn)壓器必須耗散的功率來確定穩(wěn)壓器會(huì)發(fā)熱多少。

因此，首先使用上面的公式 1 計(jì)算線性穩(wěn)壓器將耗散多少功率。其次，查看調(diào)節(jié)器數(shù)據(jù)表中“熱特性”下的名為“Theta-JA”的參數(shù)，該參數(shù)以 °C/W（°C 每瓦）為單位報(bào)告。Theta-JA 表示芯片將加熱到高于環(huán)境空氣溫度的度數(shù)，每瓦特功率它必須耗散。

只需將計(jì)算出的功耗乘以 Theta-JA，就可以知道線性穩(wěn)壓器在該功率下會(huì)發(fā)熱多少：

功率 x Theta-JA = 高于環(huán)境溫度 （公式 2）

假設(shè)穩(wěn)壓器具有每瓦 50°C 的 Theta-JA 規(guī)格，這意味著如果產(chǎn)品正在消耗：

1瓦，加熱50°C。

2瓦，加熱100°C。

? 瓦，加熱 25°C。

需要指出的是，上面計(jì)算的溫度表示高于環(huán)境空氣溫度的溫差。

假設(shè)計(jì)算出在功率條件下，穩(wěn)壓器將耗散 2 瓦的功率，你將其乘以 Theta-JA 并確定它會(huì)升溫 100°C。這里比較重要的是，不要忘記添加環(huán)境空氣溫度，室溫通常為 25°C。因此，應(yīng)該將 25°C 添加到 100°C，現(xiàn)在溫度高達(dá) 125°C。

125°C 是大多數(shù)電子元件的額定最高溫度，因?yàn)椴荒艹^125°C。

在達(dá)到約 170°C 至 200°C 之前，通常不會(huì)損壞產(chǎn)品。不過大部分穩(wěn)壓器都具有熱關(guān)斷功能，在50°C 左右觸發(fā)，因此它們會(huì)在造成任何損壞之前立即關(guān)閉。但是，一些穩(wěn)壓器沒有熱關(guān)斷功能，因此可能會(huì)因?yàn)楹纳⑦^多的功率而損壞穩(wěn)壓器。

另一件需要考慮的事情是氣溫可能并不總是 25°C。

假設(shè)穩(wěn)壓器在加載時(shí)仍會(huì)升溫 100°C，但現(xiàn)在環(huán)境溫度為 50°C（例如在炎熱的夏日在封閉的汽車內(nèi)）?，F(xiàn)在你有 50°C 加 100°C，加載時(shí)最高可達(dá) 150°C。已超過指定的最高溫度，正處于觸發(fā)熱關(guān)機(jī)的邊緣。

運(yùn)行穩(wěn)壓器使其經(jīng)常超過 125°C 的規(guī)定溫度可能不會(huì)立即造成損壞，但會(huì)縮短組件的使用壽命。

4、效率

效率是輸出功率與輸入功率之比，它與輸出電壓與輸入電壓之比成正比。因此穩(wěn)壓器的效率直接受壓差電壓和靜態(tài)電流的限制，因?yàn)閴翰铍妷涸礁?，效率越低?/p>

為了獲得更高的效率，必須將壓降和靜態(tài)電流降至最低，并且必須將輸入和輸出之間的電壓差降至最低。

5、電壓精度

穩(wěn)壓器的精度取決于以下因素：

線路調(diào)節(jié)

負(fù)載調(diào)節(jié)

參考電壓漂移

誤差放大器電壓漂移

溫度系數(shù)

典型線性穩(wěn)壓器的輸出電壓規(guī)格可確保穩(wěn)壓電壓在標(biāo)稱電壓的 5% 以內(nèi)。因此，如果使用穩(wěn)壓器為數(shù)字 IC 供電，則 5% 的容差不是什么大問題。

6、負(fù)載調(diào)節(jié)

電路在不斷變化的負(fù)載條件下保持一定輸出電壓的能力稱為負(fù)載調(diào)節(jié)，可以表示為：

負(fù)載調(diào)整率 = ?V out/ ?I out

7、線路調(diào)節(jié)

電路在變化的輸入電壓條件下保持一定輸出電壓的能力稱為線路調(diào)節(jié)?？梢员硎緸椋?/p>

負(fù)載調(diào)整率 = ?V out / ?V in

8、噪音

開關(guān)穩(wěn)壓器提供比線性穩(wěn)壓器更高的效率，但它們會(huì)產(chǎn)生更多噪聲。當(dāng)穩(wěn)壓器輸出高電流時(shí)，不必要的電子噪聲會(huì)干擾其他電路。如果想讓產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)，獲得 EMC 認(rèn)證可能會(huì)比較困難，如果你的PCB板上其他電路比較敏感（例如：純模元件），那么最好選擇線性穩(wěn)壓器

選擇具有高功率損耗的穩(wěn)壓器損耗會(huì)非常大，線性穩(wěn)壓器噪音較小，但效率非常低（LDO 除外），這意味著一些功率會(huì)轉(zhuǎn)化為熱量。如果穩(wěn)壓器將在高電流下運(yùn)行，應(yīng)該在板上安裝散熱器。如果在電路板上沒有足夠的空間放置散熱器或者擔(dān)心功耗，那么開關(guān)穩(wěn)壓器可能是更好的選擇。

9、頻率響應(yīng)

當(dāng)輸出電流快速變化時(shí)，輸出端會(huì)出現(xiàn)一個(gè)小尖峰。穩(wěn)壓器需要一些時(shí)間才能切換回相同的電壓，這稱為瞬態(tài)響應(yīng)。瞬態(tài)響應(yīng)通常是輸出電容和負(fù)載電流的函數(shù)?？焖偎矐B(tài)響應(yīng)確保穩(wěn)壓器可以提供所需的功率。檢查組件數(shù)據(jù)表并查找應(yīng)該在穩(wěn)壓器輸出中包含的推薦旁路電容。

審核編輯：湯梓紅