線性調(diào)節(jié)器和開關(guān)模式電源的基本概念


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 ,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 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
特性 | 線性調(diào)節(jié)器 | 開關(guān)模式電源(SMPS) |
---|---|---|
效率 | 低(40%~70%) | 高(80%~95%) |
噪聲 | 低(μVrms級(jí)別) | 高(需濾波) |
輸入/輸出壓差 | 輸出必須低于輸入 | 可升壓、降壓或升降壓 |
復(fù)雜度 | 低(外圍電路簡單) | 高(需電感、電容等) |
成本 | 低(元件少) | 中等(元件多,但效率高可省成本) |
散熱 | 需散熱片或大面積銅箔 | 散熱需求低 |
典型應(yīng)用 | 敏感模擬電路、低功耗設(shè)備 | 高功率設(shè)備、電池供電設(shè)備 |
四、如何選擇?
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)。
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)。
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。
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