穩(wěn)壓器類型及其工作原理

穩(wěn)壓器類型及其工作原理

穩(wěn)壓器是如何工作的？

穩(wěn)壓器是這樣一種電路：無論輸入電壓或負載條件如何變化，它都能產(chǎn)生并保持固定的輸出電壓。

穩(wěn)壓器（VR）將來自電源的電壓保持在其他電氣組件相容的范圍之內(nèi)。它最常用于DC / DC電源轉(zhuǎn)換，但有些也可用于AC / AC或AC / DC電源轉(zhuǎn)換。本文將重點介紹DC / DC穩(wěn)壓器。

穩(wěn)壓器類型：線性與開關(guān)

穩(wěn)壓器主要有兩種類型：線性（Linear）穩(wěn)壓器和開關(guān)（Switching）穩(wěn)壓器。二者都可調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓，但線性穩(wěn)壓器效率較低，而開關(guān)穩(wěn)壓器效率較高。高效開關(guān)穩(wěn)壓器可以將大部分輸入功率無損傳遞至輸出。

線性穩(wěn)壓器

線性穩(wěn)壓器利用了由高增益運放控制的有源導通器件，例如BJT或MOSFET。它對內(nèi)部參考電壓和采樣輸出電壓進行比較，然后調(diào)節(jié)導通器件的電阻將誤差降至零，從而保持恒定的輸出電壓。

線性穩(wěn)壓器屬于降壓變換器，顧名思義，其輸出電壓始終低于輸入電壓。但它也具有一定的優(yōu)勢，如易于設計、可靠、經(jīng)濟，而且噪聲低、輸出電壓紋波低。

線性穩(wěn)壓器（如MPS的MP2018）僅需要一個輸入電容和一個輸出電容即可工作（見圖1）。其簡單性和可靠性讓它們成為工程師眼里很直觀、很簡單，通常也是很經(jīng)濟的選擇。

圖1: MP2018線性穩(wěn)壓器

開關(guān)穩(wěn)壓器

開關(guān)穩(wěn)壓器的電路設計通常比線性穩(wěn)壓器要復雜，而且它需要選擇外部組件的值，需要調(diào)整控制環(huán)路以保持穩(wěn)定，并進行細致的布局設計。

開關(guān)穩(wěn)壓器可以是降壓變換器、升壓變換器或兩者的組合，這使它比線性穩(wěn)壓器適用性更廣。

開關(guān)穩(wěn)壓器的優(yōu)勢包括高效、散熱性能更佳，而且可以支持更高電流和更廣泛的VIN / VOUT應用。根據(jù)應用需求，其效率可高達95％以上。與線性穩(wěn)壓器不同的是，開關(guān)電源系統(tǒng)可能需要其他外部組件，例如電感、電容、FET或反饋電阻。HF920是MPS提供的一款開關(guān)穩(wěn)壓器，它可以實現(xiàn)高可靠性和高效的功率調(diào)節(jié)（見圖2）。

圖2: HF920開關(guān)穩(wěn)壓器

穩(wěn)壓器的缺點

線性穩(wěn)壓器的主要缺點之一是效率低下，因為在某些應用條件下它們會耗散大量功率。其壓降甚至可與電阻兩端的壓降相當。例如，在5V輸入和3V輸出的情況下，端子之間有2V的壓降，效率被限制為3V / 5V（60％）。這也意味著線性穩(wěn)壓器最適合具有較低VIN / VOUT壓差的應用。

采用線性穩(wěn)壓器要充分估計其功耗，這一點很重要，因為輸入電壓過高會產(chǎn)生高功耗，從而導致組件過熱并損壞組件。

線性穩(wěn)壓器的另一個局限是它只能用于降壓轉(zhuǎn)換，而開關(guān)穩(wěn)壓器還可以用于升壓和降壓-升壓轉(zhuǎn)換。

開關(guān)穩(wěn)壓器效率高，但缺點是通常不如線性穩(wěn)壓器經(jīng)濟有效。它尺寸較大，更復雜，而且如果不謹慎選擇外部組件的話，會產(chǎn)生較大噪聲。 對某些噪聲敏感的應用來說，這會影響電路的運行和性能，以及EMI性能。

開關(guān)穩(wěn)壓器拓撲：降壓、升壓、線性、LDO和可調(diào)

穩(wěn)壓器具有多種拓撲結(jié)構(gòu)。線性穩(wěn)壓器通常只依賴低壓差（LDO）拓撲。而開關(guān)穩(wěn)壓器則有三種常見拓撲：降壓變換器、升壓變換器和降壓-升壓變換器。每種拓撲具體描述如下：

低壓差（LDO）穩(wěn)壓器

線性穩(wěn)壓器的常用拓撲是低壓差（LDO）穩(wěn)壓器。線性穩(wěn)壓器通常要求輸入電壓至少比輸出電壓高2V，而LDO穩(wěn)壓器則用于在輸入和輸出端子之間壓差極低（有時低至100mV）的情況下工作。

降壓（Step-Down）變換器和升壓（Step-Up）變換器

降壓變換器（也稱為buck變換器）需要較高的輸入電壓并產(chǎn)生較低的輸出電壓。相反，升壓變換器（也稱為boost變換器）采用較低的輸入電壓并產(chǎn)生較高的輸出電壓。

降壓-升壓（Buck-Boost）變換器

降壓-升壓變換器是一種單級變換器，它結(jié)合了降壓變換器和升壓變換器的功能，可以在大于或小于輸出電壓的寬輸入電壓范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出。

穩(wěn)壓器的控制

線性穩(wěn)壓器的四個基本組件為導通晶體管、誤差放大器、參考電壓和電阻反饋網(wǎng)絡。誤差放大器的其中一個輸入由兩個電阻（R1和R2）來設置，用以監(jiān)測輸出電壓的百分比。另一個輸入是穩(wěn)定的參考電壓（VREF）。 如果采樣輸出電壓相對于VREF發(fā)生變化，則誤差放大器會更改導通晶體管的電阻，以保持輸出電壓（VOUT）的恒定。

線性穩(wěn)壓器通常只需要一個外部輸入電容和一個輸出電容即可工作，因此易于實現(xiàn)。

而開關(guān)穩(wěn)壓器則需要更多的組件來創(chuàng)建電路。其功率級在VIN和地之間切換，以創(chuàng)建電荷包并傳遞到輸出。與線性穩(wěn)壓器類似，開關(guān)穩(wěn)壓器也有一個運算放大器，對來自反饋網(wǎng)絡的直流輸出電壓進行采樣，并將其與內(nèi)部參考電壓進行比較。然后，誤差信號被放大、補償并濾波。該信號用于調(diào)制PWM占空比，以將輸出拉回到穩(wěn)壓狀態(tài)。例如，如果負載電流迅速增大并導致輸出電壓下降，則控制環(huán)路會增加PWM占空比，以向負載提供更多電荷，并使電源軌恢復穩(wěn)定。

線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器的應用

線性穩(wěn)壓器通常用于成本敏感、噪聲敏感、低電流或空間受限的應用，如耳機、可穿戴設備等消費類電子產(chǎn)品和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設備。例如，線性穩(wěn)壓器可用于助聽器等應用，因為它們沒有會產(chǎn)生意外噪聲并干擾設備性能的開關(guān)元件。

另外，如果設計師更注重低成本而不太關(guān)心功耗，那線性穩(wěn)壓器也是最佳選擇。

開關(guān)穩(wěn)壓器適用性更廣，它尤其適用于需要高效率和高性能的應用，例如消費類、工業(yè)、企業(yè)和汽車應用（請參見圖3）。例如，如果一個應用需要大型降壓解決方案，則開關(guān)穩(wěn)壓器更適合，因為線性穩(wěn)壓器會產(chǎn)生高功耗，會損壞其他電氣組件。

圖3: MPQ4430-AEC1降壓變換器

穩(wěn)壓器芯片的基本參數(shù)

使用穩(wěn)壓器時需要考慮的一些基本參數(shù)包括輸入電壓、輸出電壓和輸出電流。這些參數(shù)可以確定哪種VR拓撲與用戶芯片兼容。

另外還有一些根據(jù)應用不同可能相關(guān)的參數(shù)，包括靜態(tài)電流、開關(guān)頻率、熱阻和反饋電壓。

當應用對輕載或待機模式下的效率比較重視時，靜態(tài)電流就非常重要。當應用需要緊湊型系統(tǒng)解決方案時，就應考慮開關(guān)頻率這個參數(shù)，因為最大化開關(guān)頻率可以使方案盡可能地小。

此外，參數(shù)熱阻對設備散熱以及整個系統(tǒng)中的散熱至關(guān)重要。如果控制器中有一個內(nèi)置MOSFET，則所有損耗（傳導損耗和動態(tài)損耗）都將在封裝內(nèi)消散，在計算芯片最大工作溫度時必須將其考慮在內(nèi)。

反饋電壓是另一個需要考慮的重要參數(shù)，因為它確定了穩(wěn)壓器可以支持的最低輸出電壓。而檢查參考電壓則是工程師的標準動作，參考電壓限制了較低的輸出電壓，其精度會影響輸出電壓的調(diào)節(jié)精度。

如何選擇合適的穩(wěn)壓器

要選擇合適的穩(wěn)壓器，設計人員必須首先了解關(guān)鍵的參數(shù)需求，例如VIN, VOUT, IOUT,系統(tǒng)優(yōu)先級（如效率、性能、成本），以及其他關(guān)鍵功能，例如電源正常（PG）指示或啟用控制。

一旦確定了這些需求，就可以使用MPS的在線參數(shù)搜索表來找到滿足所有需求的合適器件。參數(shù)搜索表是MPS為設計人員提供的一個重要工具，它可以根據(jù)不同的應用參數(shù)需求，為用戶提供了不同功能和封裝的器件列表。

每個MPS器件還隨附數(shù)據(jù)手冊，詳細介紹了需要哪些外部組件，以及如何計算組件值才能實現(xiàn)高效、穩(wěn)定和高性能的設計。數(shù)據(jù)手冊中的信息可用于計算組件值，如輸出電容、輸出電感、反饋電阻和其他關(guān)鍵系統(tǒng)組件。此外，還可以使用仿真工具（如DC/DC在線設計師或MPSmart軟件）、參考應用說明，或者在有問題時聯(lián)系當?shù)氐默F(xiàn)場應用工程師。

MPS提供了各種高效緊湊的線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器，包括MP20056, MP28310, MP4572-AEC1, 和MPQ2013-AEC1。

審核編輯：湯梓紅