線性及開關(guān)式穩(wěn)壓器性能比較及類型分析
2019-11-25
DCDC直流電源轉(zhuǎn)換器從字面上來看便可大致得知其主要作用是要作為不同電壓源需求轉(zhuǎn)換的, 從某一主要輸入電壓轉(zhuǎn)換到另一個(gè)所需求的電壓來提供給不同芯片所使用。
舉例來說, 一般汽車上所提供的電壓為12V, 但在不同的應(yīng)用及不同的IC芯片則會有不同的工作電壓需求, DCDC轉(zhuǎn)換器是指將直流輸入電源轉(zhuǎn)換成另一直流輸出的裝置名稱。在應(yīng)用上，通常有線性穩(wěn)壓器 (Linear Regulator)，如圖1，或開關(guān)式穩(wěn)壓器(Switching Regulator)，如圖2。
圖 1
圖 2
此次，主要針對的是開關(guān)式穩(wěn)壓器進(jìn)行介紹, 其主要轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)可分為三大類：
升壓型（輸出電壓>輸入電壓）；
降壓型（輸出電壓＜輸出入壓）；
升降壓型（輸入電壓＜ｏｒ＞輸出電壓）；
利用這三種電源轉(zhuǎn)換器就可以將大多數(shù)輸入的電壓轉(zhuǎn)換為我們所需要的各種電壓。
為何需要使用DCDC直流開關(guān)式穩(wěn)壓器？在這之前讓我們先來了解一下線性穩(wěn)壓器和開關(guān)式穩(wěn)壓器一些特性上的差異比較。
從轉(zhuǎn)換時(shí)所產(chǎn)生的功率損失來看,
線性穩(wěn)壓器的輸出/輸入功率損耗=(輸入電壓-輸出電壓)*輸出電流=灰色面積*輸出電流（如圖3）。
圖 3
開關(guān)式穩(wěn)壓器輸出/輸入功率損耗=開關(guān)損失+導(dǎo)通損失=灰色面積部分（如圖4）。
圖 4
從以上的波形可明顯的看出，開關(guān)式穩(wěn)壓器的工作損失大大地小于線性穩(wěn)壓器。換而言之，開關(guān)式穩(wěn)壓器的轉(zhuǎn)換效率高于線性穩(wěn)壓器。而從電路結(jié)構(gòu)上來看，開關(guān)式穩(wěn)壓器則需要較多的外圍組件，所以其設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度較線性穩(wěn)壓器高出許多。所以在兩者的工特性上來說各有其優(yōu)缺點(diǎn)及適合的應(yīng)用。
如下表1是依據(jù)兩者的工作特性來做一些比較，也可以在選用穩(wěn)壓器時(shí)作為參考。
表 1
通過以上的介紹, 我們知道DCDC開關(guān)式穩(wěn)壓器大致有分為三種：降壓型，升壓型，升-降壓型。
以下先從基本電路設(shè)計(jì)方面，介紹了穩(wěn)壓器基本原理。接著，在后續(xù)的文章中會再作深入的設(shè)計(jì)要領(lǐng)分享。
降壓型：
此轉(zhuǎn)換架構(gòu)應(yīng)該是目前在開關(guān)式穩(wěn)壓器中普遍的。圖5是一個(gè)典型的異步式降壓轉(zhuǎn)換器。如果將二極管改為晶閘管, 則稱之為同步式降壓轉(zhuǎn)換器。在電路圖中, 利用控制PWM（脈波寬度調(diào)變）來控制傳送能量的大小，再到后端電感(L)及電容(C)作為能量轉(zhuǎn)移及濾波。而脈波的導(dǎo)通寬度則稱之為工作周期(Duty cycle)。所以用簡單的方式來說，當(dāng)你知道輸入/輸出的電壓后, 便能知道其所需工作周期為：
圖 5
升壓型：
此轉(zhuǎn)換器通常應(yīng)用在輸入電壓降到很低的時(shí)候，某些芯片仍需維持工作狀態(tài)一段時(shí)間，或是其輸入電壓小于芯片的工作電壓，所以只能用升壓轉(zhuǎn)換器來將電壓推升至所需的安全工作區(qū)間。如圖6是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的升壓電路。其主要是由PWM關(guān)閉時(shí)，透過電感L電壓反向時(shí)加上輸入電壓來作輸出電壓的提升
其脈波的導(dǎo)通工作周期公式如下：
圖 6
升降壓型：
當(dāng)輸入電壓變動范圍是較大的，工作條件下可能高于或低于輸出電壓（例如放電中的電池），此時(shí)升/降壓轉(zhuǎn)換器 (Buck-boost) 是完好的電源轉(zhuǎn)換器方案。
升/降壓轉(zhuǎn)換器依據(jù)輸入電壓和輸出電壓間的差異，其PWM控制模式則會自動切換為降壓模式 (Buck) 或升壓模式 (Boost)。由于其結(jié)合了 Buck和boost 的模式，所以車載電池供電的應(yīng)用是非常適合的應(yīng)用。在電池充滿電的高電平狀態(tài)，可使用降壓模式穩(wěn)定輸出的電壓；在電池電力快耗盡的低電平狀態(tài)，可以在升壓的模式提供固定的輸出電壓。
在以上介紹中，對線性穩(wěn)壓器和各開關(guān)式穩(wěn)壓器在性能上進(jìn)行了比較。希望借此，對大家在穩(wěn)壓器的選擇上能有所幫助，也能在系統(tǒng)的優(yōu)化及設(shè)計(jì)過程中可以針對每種穩(wěn)壓器的特性作更好的配置。
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摘自 英飛凌汽車電子生態(tài)圈
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