原標(biāo)題：線性調(diào)節(jié)器和開關(guān)模式電源的基本概念

一、線性調(diào)節(jié)器（Linear Regulator）

1. 定義
線性調(diào)節(jié)器是一種通過調(diào)整內(nèi)部晶體管的導(dǎo)通電阻（或壓降）來維持輸出電壓穩(wěn)定的電源轉(zhuǎn)換器。其工作原理基于負(fù)反饋控制，將輸入電壓降低到所需的輸出電壓，且輸出電壓與輸入電壓呈線性關(guān)系。

2. 工作原理

• 核心元件：通常由誤差放大器、參考電壓源和功率晶體管（如MOSFET或BJT）組成。

• 反饋控制：輸出電壓通過分壓電阻反饋到誤差放大器，與參考電壓比較后調(diào)整功率晶體管的導(dǎo)通程度，從而穩(wěn)定輸出電壓。

• 壓降特性：輸出電壓必須低于輸入電壓（即存在壓差），壓差越大，效率越低。

3. 關(guān)鍵特性

• 低噪聲：由于沒有高頻開關(guān)動(dòng)作，輸出噪聲極低（通常為μVrms級(jí)別），適合對(duì)噪聲敏感的應(yīng)用（如ADC、DAC、RF電路）。

• 高精度：輸出電壓精度高（通常±1%~±3%），負(fù)載調(diào)整率和線性調(diào)整率優(yōu)秀。

• 簡單設(shè)計(jì)：外圍電路簡單，通常只需輸入/輸出電容和反饋電阻。

• 低效率：效率為 η=VinVout，當(dāng)壓差較大時(shí)效率顯著下降（如輸入12V，輸出5V時(shí)效率僅42%）。

• 散熱問題：壓差功率 Pdiss=(Vin?Vout)×Iout 以熱能形式耗散，需散熱片或大面積PCB銅箔。

4. 典型應(yīng)用

• 敏感模擬電路供電（如運(yùn)算放大器、ADC、DAC）。

• 低功耗設(shè)備（如便攜式儀器、傳感器）。

• 需要高精度、低噪聲的場合。

5. 示例

• LDO（低壓差線性調(diào)節(jié)器）：如TI的TPS7A4700，輸入電壓范圍4.5V~36V，輸出電壓可調(diào)，噪聲<1μVrms。

• 標(biāo)準(zhǔn)線性調(diào)節(jié)器：如LM7805，輸入電壓范圍7V~35V，輸出5V，噪聲較高（約50μVrms）。

二、開關(guān)模式電源（SMPS, Switching Mode Power Supply）

1. 定義
開關(guān)模式電源通過高頻開關(guān)（如MOSFET）和儲(chǔ)能元件（如電感、電容）將輸入電壓轉(zhuǎn)換為所需的輸出電壓。其工作原理基于能量存儲(chǔ)和釋放，通過調(diào)整開關(guān)的占空比來控制輸出電壓。

2. 工作原理

• 核心元件：開關(guān)管（MOSFET）、電感、電容、二極管（或同步整流管）、PWM控制器。

• 開關(guān)動(dòng)作：開關(guān)管以高頻（通常幾十kHz~MHz）導(dǎo)通和關(guān)斷，電感存儲(chǔ)和釋放能量，電容平滑輸出電壓。

• 反饋控制：輸出電壓通過反饋網(wǎng)絡(luò)（如光耦或直接反饋）調(diào)整PWM占空比，穩(wěn)定輸出電壓。

3. 關(guān)鍵特性

• 高效率：效率通常為80%~95%，尤其適用于輸入/輸出壓差大的場景。

• 寬輸入范圍：可適應(yīng)較寬的輸入電壓范圍（如9V~36V）。

• 大功率密度：體積小、重量輕，適合高功率應(yīng)用。

• 高頻噪聲：開關(guān)動(dòng)作引入高頻噪聲（EMI），需復(fù)雜濾波設(shè)計(jì)。

• 復(fù)雜設(shè)計(jì)：需要電感、電容、反饋網(wǎng)絡(luò)等外圍元件，設(shè)計(jì)難度較高。

4. 典型應(yīng)用

• 高功率設(shè)備（如計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、工業(yè)設(shè)備）。

• 電池供電設(shè)備（如手機(jī)、無人機(jī)）的充電和供電。

• 需要高效、緊湊電源的場合。

5. 示例

• 降壓型（Buck）：如TI的TPS54331，輸入電壓范圍4.5V~28V，輸出電壓可調(diào)，效率高達(dá)95%。

• 升壓型（Boost）：如LT3580，輸入電壓范圍2.7V~40V，輸出電壓可調(diào)。

• 升降壓型（Buck-Boost）：如LTC3115，輸入電壓范圍2.7V~40V，輸出電壓可調(diào)（可高于或低于輸入）。

三、線性調(diào)節(jié)器與SMPS的對(duì)比

四、如何選擇？

1. 優(yōu)先選擇線性調(diào)節(jié)器的情況：

• 需要極低噪聲（如ADC、DAC、RF電路）。

• 輸入/輸出壓差小（如輸入5V，輸出3.3V）。

• 功率需求低（如<1W）。

2. 優(yōu)先選擇SMPS的情況：

• 需要高效率（如電池供電設(shè)備）。

• 輸入/輸出壓差大（如輸入24V，輸出3.3V）。

• 功率需求高（如>1W）。

3. 混合方案：

• 在高噪聲敏感應(yīng)用中，可使用SMPS預(yù)降壓，再用LDO進(jìn)一步穩(wěn)壓和降噪（如輸入24V→SMPS降壓至5V→LDO穩(wěn)壓至3.3V）。

五、總結(jié)

• 線性調(diào)節(jié)器：簡單、低噪聲、低效率，適合敏感模擬電路。

• SMPS：高效、復(fù)雜、高噪聲，適合高功率應(yīng)用。

• 設(shè)計(jì)建議：根據(jù)噪聲、效率、功率需求權(quán)衡選擇，必要時(shí)采用混合方案。

通過理解兩者的基本概念和特性，可以更合理地選擇適合的電源方案，滿足系統(tǒng)的性能和成本要求。