【導(dǎo)讀】根據(jù)調(diào)整管的工作狀態(tài)，我們常把穩(wěn)壓電源分成兩類：線性穩(wěn)壓電源和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。線性穩(wěn)壓電源，是指調(diào)整管工作在線性狀態(tài)下的穩(wěn)壓電源。而在開(kāi)關(guān)電源中則不一樣，開(kāi)關(guān)管是工作在開(kāi)、關(guān)兩種狀態(tài)下的：開(kāi)——電阻很小;關(guān)——電阻很大。
開(kāi)關(guān)電源是一種比較新型的電源。它具有效率高，重量輕，可升、降壓，輸出功率大等優(yōu)點(diǎn)。但是由于電路工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，所以噪聲比較大。 通過(guò)下圖，我們來(lái)簡(jiǎn)單的說(shuō)說(shuō)降壓型開(kāi)關(guān)電源的工作原理。如圖所示，電路由開(kāi)關(guān)K(實(shí)際電路中為三極管或者場(chǎng)效應(yīng)管)，續(xù)流二極管D，儲(chǔ)能電感L，濾波電容C等構(gòu)成。當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，電源通過(guò)開(kāi)關(guān)K、電感L給負(fù)載供電，并將部分電能儲(chǔ)存在電感L以及電容C中。由于電感L的自感，在開(kāi)關(guān)接通后，電流增大得比較緩慢，即輸出不能立刻達(dá)到電源電壓值。一定時(shí)間后，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，由于電感L的自感作用(可以比較形象的認(rèn)為電感中的電流有慣性作用)，將保持電路中的電流不變，即從左往右繼續(xù)流。這電流流過(guò)負(fù)載，從地線返回，流到續(xù)流二極管D的正極，經(jīng)過(guò)二極管D，返回電感L的左端，從而形成了一個(gè)回路。通過(guò)控制開(kāi)關(guān)閉合跟斷開(kāi)的時(shí)間(即PWM——脈沖寬度調(diào)制)，就可以控制輸出電壓。如果通過(guò)檢測(cè)輸出電壓來(lái)控制開(kāi)、關(guān)的時(shí)間，以保持輸出電壓不變，這就實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)壓的目的。
在開(kāi)關(guān)閉合期間，電感存儲(chǔ)能量;在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)期間，電感釋放能量，所以電感L叫做儲(chǔ)能電感。二極管D在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)期間，負(fù)責(zé)給電感L提供電流通路，所以二極管D叫做續(xù)流二極管。在實(shí)際的開(kāi)關(guān)電源中，開(kāi)關(guān)K由三極管或場(chǎng)效應(yīng)管代替。當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，電流很小;當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，電壓很小，所以發(fā)熱功率U×I就會(huì)很小。這就是開(kāi)關(guān)電源效率高的原因?？催^(guò)完兩個(gè)關(guān)于電源的FAQ后，大家可能對(duì)電源的效率計(jì)算還不了解。在后面的FAQ中，我們將專門(mén)給大家介紹。常見(jiàn)的用于開(kāi)關(guān)電源的芯片有：TL494，LM2575，LM2673，34063，51414等等。
根據(jù)調(diào)整管的工作狀態(tài)，我們常把穩(wěn)壓電源分成兩類：線性穩(wěn)壓電源和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。此外，還有一種使用穩(wěn)壓管的小電源。這里說(shuō)的線性穩(wěn)壓電源，是指調(diào)整管工作在線性狀態(tài)下的直流穩(wěn)壓電源。調(diào)整管工作在線性狀態(tài)下，可這么來(lái)理解：RW(見(jiàn)下面的分析)是連續(xù)可變的，亦即是線性的。而在開(kāi)關(guān)電源中則不一樣，開(kāi)關(guān)管(在開(kāi)關(guān)電源中，我們一般把調(diào)整管叫做開(kāi)關(guān)管)是工作在開(kāi)、關(guān)兩種狀態(tài)下的：開(kāi)——電阻很小;關(guān)——電阻很大。工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的管子顯然不是線性狀態(tài)。
線性穩(wěn)壓電源是比較早使用的一類直流穩(wěn)壓電源。線性穩(wěn)壓直流電源的特點(diǎn)是：輸出電壓比輸入電壓低;反應(yīng)速度快，輸出紋波較小;工作產(chǎn)生的噪聲低;效率較低(現(xiàn)在經(jīng)?？吹腖DO就是為了解決效率問(wèn)題而出現(xiàn)的);發(fā)熱量大(尤其是大功率電源)，間接地給系統(tǒng)增加熱噪聲。
工作原理：我們先用下圖來(lái)說(shuō)明線性穩(wěn)壓電源調(diào)節(jié)電壓的原理。如下圖所示，可變電阻RW跟負(fù)載電阻RL組成一個(gè)分壓電路，輸出電壓為：
Uo=Ui×RL/(RW+RL)，因此通過(guò)調(diào)節(jié)RW的大小，即可改變輸出電壓的大小。請(qǐng)注意，在這個(gè)式子里，如果我們只看可調(diào)電阻RW的值變化，Uo的輸出并不是線性的，但如果把RW和RL一起看，則是線性的。還要注意，我們這個(gè)圖并沒(méi)有將RW的引出端畫(huà)成連到左邊，而畫(huà)在右邊。雖然這從公式上看并沒(méi)有什么區(qū)別，但畫(huà)在右邊，卻正好反映了“采樣”和“反饋”的概念----實(shí)際中的電源，絕大部分都是工作在采樣和反饋的模式下的，使用前饋方法很少，或就是用了，也只是輔助方法而已。
讓我們繼續(xù)：如果我們用一個(gè)三極管或者場(chǎng)效應(yīng)管，來(lái)代替圖中的可變阻器，并通過(guò)檢測(cè)輸出電壓的大小，來(lái)控制這個(gè)“變阻器”阻值的大小，使輸出電壓保持恒定，這樣我們就實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)壓的目的。這個(gè)三極管或者場(chǎng)效應(yīng)管是用來(lái)調(diào)整電壓輸出大小的，所以叫做調(diào)整管。
像圖1所示的那樣，由于調(diào)整管串聯(lián)在電源跟負(fù)載之間，所以叫做串聯(lián)型穩(wěn)壓電源。相應(yīng)的，還有并聯(lián)型穩(wěn)壓電源，就是將調(diào)整管跟負(fù)載并聯(lián)來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，典型的基準(zhǔn)穩(wěn)壓器TL431就是一種并聯(lián)型穩(wěn)壓器。所謂并聯(lián)的意思，就是象圖2中的穩(wěn)壓管那樣，通過(guò)分流來(lái)保證衰減放大管射極電壓的“穩(wěn)定”，也許這個(gè)圖并不能讓你一下子看出它是“并聯(lián)”的，但細(xì)心一看，確實(shí)如此。不過(guò)，大家在此還要注意一下：此處的穩(wěn)壓管，是利用它的非線性區(qū)工作的，因此，如果認(rèn)為它是一個(gè)電源，它也是一個(gè)非線性電源。為了便于大家理解，回頭我們找一個(gè)理適合的圖來(lái)看，直到可以簡(jiǎn)明地看懂為止。
由于調(diào)整管相當(dāng)于一個(gè)電阻，電流流過(guò)電阻時(shí)會(huì)發(fā)熱，所以工作在線性狀態(tài)下的調(diào)整管，一般會(huì)產(chǎn)生大量的熱，導(dǎo)致效率不高。這是線性穩(wěn)壓電源的一個(gè)最主要的一個(gè)缺點(diǎn)。想要更詳細(xì)的了解線性穩(wěn)壓電源，請(qǐng)參看模擬電子線路教科書(shū)。這里我們主要是幫助大家理清這些概念以及它們之間的關(guān)系。
圖1
一般來(lái)說(shuō)，線性穩(wěn)壓電源由調(diào)整管、參考電壓、取樣電路、誤差放大電路等幾個(gè)基本部分組成。另外還可能包括一些例如保護(hù)電路，啟動(dòng)電路等部分。下圖是一個(gè)比較簡(jiǎn)單的線性穩(wěn)壓電源原理圖(示意圖，省略了濾波電容等元件)，取樣電阻通過(guò)取樣輸出電壓，并與參考電壓比較，比較結(jié)果由誤差放大電路放大后，控制調(diào)整管的導(dǎo)通程度，使輸出電壓保持穩(wěn)定。
圖2
常用的線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電源芯片有：78XX系列(正電壓型)，79XX系列(負(fù)電壓型)(實(shí)際產(chǎn)品中，XX用數(shù)字表示，XX是多少，輸出電壓就是多少。例如7805，輸出電壓為5V);LM317(可調(diào)正電壓型)，LM337(可調(diào)負(fù)電壓型);1117(低壓差型，有多種型號(hào)，用尾數(shù)表示電壓值。如1117-3.3為3.3V，1117-ADJ為可調(diào)型)。
1.DC to DC包括boost(升壓)、buck(降壓)、 Boost/buck(升/降壓)和反相結(jié)構(gòu)，具有高效率、高輸出電流、低靜態(tài)電流等特點(diǎn)，隨著集成度的提高，許多新型DC-DC 轉(zhuǎn)換器的外圍電路僅需電感和濾波電容;但該類電源控制器的輸出紋波和開(kāi)關(guān)噪聲較大、成本相對(duì)較高。
2.LDO：低壓差線性穩(wěn)壓器的突出優(yōu)點(diǎn)是具有最低的成本，最低的噪聲和最低的靜態(tài)電流。它的外圍器件也很少，通常只有一兩個(gè)旁路電容。新型LDO可達(dá)到 以下指標(biāo)：30μV 輸出噪聲、60dB PSRR、6μA 靜態(tài)電流及100mV 的壓差。LDO 線性穩(wěn)壓器能夠?qū)崿F(xiàn)這些特性的主要原因在于內(nèi)部調(diào)整管采用了P 溝道場(chǎng)效應(yīng)管，而不是通常線性穩(wěn)壓器中的PNP 晶體管。P 溝道的場(chǎng)效應(yīng)管不需要基極電流驅(qū)動(dòng)，所以大大降低了器件本身的電源電流;另一方面，在采用PNP 管的結(jié)構(gòu)中，為了防止PNP 晶體管進(jìn)入飽和狀態(tài)降低輸出能力，必須保證較大的輸入輸出壓差;而P 溝道場(chǎng)效應(yīng)管的壓差大致等于輸出電流與其導(dǎo)通電阻的乘積，極小的導(dǎo)通電阻使其壓差非常低。當(dāng)系統(tǒng)中輸入電壓和輸出電壓接近時(shí)， LDO 是最好的選擇，可達(dá)到很高的效率。所以在將鋰離子電池電壓轉(zhuǎn)換為3V 電壓的應(yīng)用中大多選用LDO，盡管電池最后放電能量的百分之十沒(méi)有使用，但是LDO 仍然能夠在低噪聲結(jié)構(gòu)中提供較長(zhǎng)的電池壽命。
什么是開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器?
開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器使用輸出級(jí)，重復(fù)切換“開(kāi)”和“關(guān)”狀態(tài)，與能量存貯部件(電容器和感應(yīng)器)一起產(chǎn) 生輸出電壓。它的調(diào)整是通過(guò)根據(jù)輸出電壓的反饋樣本來(lái)調(diào)整切換定時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在固定頻率的穩(wěn)壓器中，通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)電壓的脈沖寬度來(lái)調(diào)節(jié)切換定時(shí) ? 這就是所謂的 PWM 控制。在門(mén)控振蕩器或脈沖模式穩(wěn)壓器中，開(kāi)關(guān)脈沖的寬度和頻率保持恒定，但是，輸出開(kāi)關(guān)的“開(kāi)”或“關(guān)”由反饋控制。
根據(jù)開(kāi)關(guān)和能量存貯部件的排列，產(chǎn)生的輸出電壓可以大于或小于輸入電壓，并且可以用一個(gè)穩(wěn)壓器產(chǎn)生多個(gè)輸出電壓。在大多數(shù)情況下，在同樣的輸入電壓和輸出電壓要求下，脈沖(降壓)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器比線性穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換電源的效率更高。
什么是 LDO(低壓降)穩(wěn)壓器?
LDO 是一種線性穩(wěn)壓器。線性穩(wěn)壓器使用在其線性區(qū)域內(nèi)運(yùn)行的晶體管或 FET，從應(yīng)用的輸入電壓中減去超額的電壓，產(chǎn)生經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)的輸出電壓。所謂壓降電壓，是指穩(wěn)壓器將輸出電壓維持在其額定值上下 100mV 之內(nèi)所需的輸入電壓與輸出電壓差額的最小值。正輸出電壓的 LDO(低壓降)穩(wěn)壓器通常使用功率晶體管(也稱為傳遞設(shè)備)作為 PNP。這種晶體管允許飽和，所以穩(wěn)壓器可以有一個(gè)非常低的壓降電壓，通常為 200mV 左右;與之相比，使用 NPN 復(fù)合電源晶體管的傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器的壓降為 2V 左右。負(fù)輸出 LDO 使用 NPN 作為它的傳遞設(shè)備，其運(yùn)行模式與正輸出 LDO 的 PNP設(shè)備類似。
更新的發(fā)展使用 CMOS 功率晶體管，它能夠提供最低的壓降電壓。使用 CMOS，通過(guò)穩(wěn)壓器的唯一電壓壓降是電源設(shè)備負(fù)載電流的 ON 電阻造成的。如果負(fù)載較小，這種方式產(chǎn)生的壓降只有幾十毫伏。
線性穩(wěn)壓器與開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的比較如何?
線性電壓穩(wěn)壓器開(kāi)關(guān)電壓穩(wěn)壓器
優(yōu)點(diǎn)：
簡(jiǎn)單
輸出紋波電壓低
出色的 line 和負(fù)載穩(wěn)壓
對(duì)負(fù)載和 line 的變化響應(yīng)迅速
電磁干擾 (EMI) 低
效率高(降低了冷卻所需的源電源需求)
能夠處理較高的電源密度
拓?fù)鋵W(xué)結(jié)果可用于傳遞單個(gè)或多個(gè)輸出電壓，大于或小于生成的輸出電壓
缺點(diǎn)：
效率低
如果需要冷卻設(shè)備，則要求較大的空間
輸出紋波電壓高
瞬時(shí)恢復(fù)時(shí)間較慢
產(chǎn)生電磁干擾(EMI)
LDO是低壓差的器件，因此，輸出多為固定電壓，否則失去了低壓差的意義，盡管輸入電壓可以在一定的范圍。DCtoDC是電壓轉(zhuǎn)換，有升壓、降壓等，一般升壓電路的輸出電流不可能做大，而降壓的電流可以做得較大。TI公司有各種上述電路，可以到TI公司的網(wǎng)站查，數(shù)據(jù)多數(shù)是英文的。其他公司的用得不多，不好說(shuō)。DC-DC，其實(shí)內(nèi)部是先把DC直流電源轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟婋娫碅C。通常是一種自激震蕩電路，所以外面需要電感等分立元件。然后在輸出端再通過(guò)積分濾波，又回到DC電源。由于產(chǎn)生AC電源，所以可以很輕松的進(jìn)行升壓跟降壓。兩次轉(zhuǎn)換，必然會(huì)產(chǎn)生損耗，這就是大家都在努力研究的如何提高DC-DC效率的問(wèn)題。
LDO是low dropout regulator，意為低壓差線性穩(wěn)壓器，是相對(duì)于傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器來(lái)說(shuō)的。傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器，如78xx系列的芯片都要求輸入電壓要比輸出電壓高出 2v~3V以上，否則就不能正常工作。但是在一些情況下，這樣的條件顯然是太苛刻了，如5v轉(zhuǎn)3.3v,輸入與輸出的壓差只有1.7v，顯然是不滿足條件 的。針對(duì)這種情況，才有了LDO類的電源轉(zhuǎn)換芯片。
