線性穩(wěn)壓器與開關穩(wěn)壓器的選擇分析

在最基本的術語中，降壓調節(jié)器接收輸入電壓并將其轉換為負載所需的較低電壓。有兩種主要類型的電壓調節(jié)器，線性和開關。線性穩(wěn)壓器通過吸收輸入和輸出之間的能量差來工作，同時開關穩(wěn)壓器切斷輸入電壓，然后平均斬波電壓以提供適當?shù)妮敵鲭妷骸?/p>

一個靠近的穩(wěn)壓器一個或多個為其供電的設備通常被稱為負載點調節(jié)器。這種類型的穩(wěn)壓器通常從PCB上包含的電壓總線接收其輸入。

在評估特定應用的電源時，應考慮幾個參數(shù)。

靜態(tài)電流 - 當IC不是源電流時IC消耗的電流量它的輸入不是循環(huán)的。

效率 - 定義為穩(wěn)壓器電路的功率與穩(wěn)壓器輸出功率之比。功率輸入包括靜態(tài)電流，寄生元件引起的損耗和傳遞給負載的功率。

等效串聯(lián)電阻 - 穩(wěn)壓器電路中使用的電容器的電阻元件。需要注意輸出電容器的ESR。

循環(huán) - 定義為影響調節(jié)器輸出和穩(wěn)定性的所有元素。這包括功率級，誤差放大器，調制器和補償電路等模塊。

此外，如圖1所示，與電源相關的其他幾個規(guī)格也會影響它們的工作。

TJ-MAX - 允許IC中的結點達到的最高允許溫度。

TA - 定義為調節(jié)器附近空氣的環(huán)境溫度。

RTHETA-JA - 從結到環(huán)境的熱阻。這包括結到外殼，外殼到PCB和PCB到空氣的熱阻。

VFB - 用于設置輸出電壓的反饋電壓。 R1和R2創(chuàng)建一個電阻分壓器，從VOUT形成VFB。誤差放大器用于保持VFB等于VREF。

圖1：電壓調節(jié)器定義。

通常使用線性穩(wěn)壓器，因為它們的易于使用，通常具有非常低的元件數(shù)要求。這種類型的穩(wěn)壓器相當于一個可調電阻，它將VIN降至VOUT并試圖保持VOUT恒定。以下是線性穩(wěn)壓器中要查找的關鍵參數(shù)列表：

壓差電壓 - 這是VOUT上方維持正確調節(jié)所需的最小電壓。

低壓差（LDO） - 這是一種在VDROPOUT非常小時起作用的穩(wěn)壓器。

穩(wěn)定區(qū)域 - 線性穩(wěn)壓器的區(qū)域，輸出將保持穩(wěn)定。它適用于不同的輸出電容，取決于輸出電容的ESR。

PD-MAX - 器件可以消耗的最大功率由下式給出。它被定義為TJ-MAX和TAMBIENT的差值除以RTHETA-JA。通過組合和重新排列功耗公式，可以確定最大允許輸出電流是多少。

線性穩(wěn)壓器可分為集成或離散（如圖2所示） 。集成的線性穩(wěn)壓器具有集成在封裝中的通路元件。離散解決方案具有外部傳遞元件。對于分立或集成調節(jié)器，可以或可以不集成反饋組件。 SC339是分立線性穩(wěn)壓器的一個例子。 SC4215H是集成線性穩(wěn)壓器的一個示例。

圖2：集成與離散線性穩(wěn)壓器。

如圖3所示，VIN定義為3.3 V，VOUT定義為2.5 V.我們首先選擇R2為10kΩ。根據數(shù)據表中的計算R1和使用0.5 V VREF的公式，我們得出R1所需的40kΩ值。我們將TAMBIENT定義為50°C。從數(shù)據表中，我們發(fā)現(xiàn)TJ-MAX的值定義為125°C，RTHETA-JA定義為36°C/Watt。使用這些值，我們可以計算出最大可用輸出電流，即2.6 A。

圖3：線性穩(wěn)壓器示例 - SC4216H。

數(shù)據表規(guī)定每安培輸出電流需要10μF才能防止輸入到調節(jié)器下垂。要支持上一張幻燈片計算的全部電流，至少需要26μF。由于電容容差，應選擇最小33μF的電容。除了大容量電容外，建議將4.7μF陶瓷直接放置在穩(wěn)壓器的VIN引腳旁邊。對于輸出，建議使用每安培輸出電流10μF的相同規(guī)則。這將導致輸出使用相同的33μF值。重要的是要觀察輸出電容的ESR，以確保不輸入不穩(wěn)定區(qū)域。雖然沒有給出33μF電容的圖表，但我們可以在給出的兩個圖形之間進行插值，并使用5mΩESR來保持穩(wěn)定性。還建議在VOUT引腳旁邊使用0.1μF電容。

降壓穩(wěn)壓器將較高的VIN轉換為較低的VOUT，如圖4所示。控制器定期打開和關閉開關S以進行連接VIN和地之間的相節(jié)點。然后在相位節(jié)點處看到的波形通過電感和電容濾波，為負載提供平滑的電壓。

圖4：降壓穩(wěn)壓器。

當開關S閉合且開關S斷開時，降壓調節(jié)器有兩種不同的狀態(tài)（如圖5所示）。當開關閉合時，VIN為電感和電容充電并提供輸出電流。當開關打開時，電感器中的磁場坍塌并使電感器兩端的電壓改變極性。極性的這種變化將相位節(jié)點拉到地下，正向偏置二極管。這允許電流繼續(xù)流動，因為電感器提供負載所需的電流。

圖5：基本降壓穩(wěn)壓器狀態(tài)。

如前所述，隨著電感器磁場的坍塌，二極管變?yōu)檎蚱?。這種情況在沒有任何時鐘參考的情況下發(fā)生，并且被稱為異步調節(jié)器。所使用的二極管的VF代表異步調節(jié)器內的很大一部分損耗，特別是當VF的值接近VOUT的值時。通過用另一個MOSFET替換二極管，可以降低系統(tǒng)中的損耗。這需要更復雜的控制器，以確保MOSFET不會同時導通。由于底部MOSFET現(xiàn)在受到控制，因此拓撲結構稱為同步穩(wěn)壓器。 S1也稱為頂部FET或高側FET。 S2也稱為底部FET或低側FET。異步和同步降壓穩(wěn)壓器之間的比較如圖6所示。

圖6：異步與同步降壓調節(jié)器。

圖7中的波形與降壓穩(wěn)壓器相關聯(lián)。 DH是高側FET的控制信號。當控制器接通高側FET時，電流會在開關中上升。同時，電感中的電流也會升高，相位節(jié)點的電壓達到VIN。當高側開關關閉時，電感和低側FET中的電流都會下降，相節(jié)點的電壓會被拉至地。

然后，VPHASE的信號被濾除。形成VOUT。

高端FET導通的時間定義為tON。高側FET關斷的時間定義為tOFF。 tON加tOFF的時間定義為T或總循環(huán)時間。

圖7：基本降壓穩(wěn)壓器波形。

降壓調節(jié)器可進一步分為兩類（如圖8所示） ），集成穩(wěn)壓器和開關控制器。集成開關穩(wěn)壓器將FET構建到封裝或硅中。開關控制器要求開關位于IC外部。

圖8：集成開關穩(wěn)壓器與開關控制器。

只要在設計中添加反饋網絡，就可以使用除提供的固定選項之外的電壓。當要求除標準固定電壓以外的電壓時，建議使用1 V SC189。由于內部補償，必須在反饋網絡的頂側使用電容器以保持穩(wěn)定性。已經討論了計算電容器的公式。 VOUT是所需的輸出電壓，VOSTD是SC189的電壓，沒有反饋網絡。反饋電阻通過圖9中的公式計算。當使用推薦的SC189A時，公式中使用的VREF是器件的VOSTD或1 V。

圖9：反饋電阻計算公式。

總之，使用線性穩(wěn)壓器的最佳時間是系統(tǒng)中的噪聲不能容忍或者VIN和VOUT差異是小。使用開關穩(wěn)壓器的最佳時間是VIN和VOUT之間的差異很大。此外，當效率很重要且涉及大電流時，最好使用開關穩(wěn)壓器。 Semtech有線性穩(wěn)壓器和開關穩(wěn)壓器的多種選擇。