稳压器类型及其工作原理

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稳压器是如何工作的?

稳压器是这样一种电路:无论输入电压或负载条件如何变化,它都能产生并保持固定的输出电压。

稳压器(VR)将来自电源的电压保持在其他电气组件相容的范围之内。它最常用于DC / DC电源转换,但有些也可用于AC / AC或AC / DC电源转换。本文将重点介绍DC / DC稳压器。

稳压器类型:线性与开关

稳压器主要有两种类型:线性(Linear)稳压器和开关(Switching)稳压器。二者都可调节系统电压,但线性稳压器效率较低,而开关稳压器效率较高。高效开关稳压器可以将大部分输入功率无损传递至输出。

线性稳压器

线性稳压器利用了由高增益运放控制的有源导通器件,例如BJT或MOSFET。它对内部参考电压和采样输出电压进行比较,然后调节导通器件的电阻将误差降至零,从而保持恒定的输出电压。

线性稳压器属于降压变换器,顾名思义,其输出电压始终低于输入电压。但它也具有一定的优势,如易于设计、可靠、经济,而且噪声低、输出电压纹波低。

线性稳压器(如MPS的MP2018)仅需要一个输入电容和一个输出电容即可工作(见图1)。其简单性和可靠性让它们成为工程师眼里最直观、最简单,通常也是最经济的选择。

Linear regulator

图1: MP2018线性稳压器

开关稳压器

开关稳压器的电路设计通常比线性稳压器要复杂,而且它需要选择外部组件的值,需要调整控制环路以保持稳定,并进行细致的布局设计。

开关稳压器可以是降压变换器、升压变换器或两者的组合,这使它比线性稳压器适用性更广。

开关稳压器的优势包括高效、散热性能更佳,而且可以支持更高电流和更广泛的VIN / VOUT应用。根据应用需求,其效率可高达95%以上。与线性稳压器不同的是,开关电源系统可能需要其他外部组件,例如电感、电容、FET或反馈电阻。HF920是MPS提供的一款开关稳压器,它可以实现高可靠性和高效的功率调节(见图2)。

Switching Regulators

图2: HF920开关稳压器

稳压器的缺点

线性稳压器的主要缺点之一是效率低下,因为在某些应用条件下它们会耗散大量功率。其压降甚至可与电阻两端的压降相当。例如,在5V输入和3V输出的情况下,端子之间有2V的压降,效率被限制为3V / 5V(60%)。这也意味着线性稳压器最适合具有较低VIN / VOUT压差的应用。

采用线性稳压器要充分估计其功耗,这一点很重要,因为输入电压过高会产生高功耗,从而导致组件过热并损坏组件。

线性稳压器的另一个局限是它只能用于降压转换,而开关稳压器还可以用于升压和降压-升压转换。

开关稳压器效率高,但缺点是通常不如线性稳压器经济有效。它尺寸较大,更复杂,而且如果不谨慎选择外部组件的话,会产生较大噪声。 对某些噪声敏感的应用来说,这会影响电路的运行和性能,以及EMI性能。

开关稳压器拓扑:降压、升压、线性、LDO和可调

稳压器具有多种拓扑结构。线性稳压器通常只依赖低压差(LDO)拓扑。而开关稳压器则有三种常见拓扑:降压变换器、升压变换器和降压-升压变换器。每种拓扑具体描述如下:

低压差(LDO)稳压器

线性稳压器的常用拓扑是低压差(LDO)稳压器。线性稳压器通常要求输入电压至少比输出电压高2V,而LDO稳压器则用于在输入和输出端子之间压差极低(有时低至100mV)的情况下工作。

降压(Step-Down)变换器和升压(Step-Up)变换器

降压变换器(也称为buck变换器)需要较高的输入电压并产生较低的输出电压。相反,升压变换器(也称为boost变换器)采用较低的输入电压并产生较高的输出电压。

降压-升压(Buck-Boost)变换器

降压-升压变换器是一种单级变换器,它结合了降压变换器和升压变换器的功能,可以在大于或小于输出电压的宽输入电压范围内调节输出。

稳压器的控制

线性稳压器的四个基本组件为导通晶体管、误差放大器、参考电压和电阻反馈网络。误差放大器的其中一个输入由两个电阻(R1和R2)来设置,用以监测输出电压的百分比。另一个输入是稳定的参考电压(VREF)。 如果采样输出电压相对于VREF发生变化,则误差放大器会更改导通晶体管的电阻,以保持输出电压(VOUT)的恒定。

线性稳压器通常只需要一个外部输入电容和一个输出电容即可工作,因此易于实现。

而开关稳压器则需要更多的组件来创建电路。其功率级在VIN和地之间切换,以创建电荷包并传递到输出。与线性稳压器类似,开关稳压器也有一个运算放大器,对来自反馈网络的直流输出电压进行采样,并将其与内部参考电压进行比较。然后,误差信号被放大、补偿并滤波。该信号用于调制PWM占空比,以将输出拉回到稳压状态。例如,如果负载电流迅速增大并导致输出电压下降,则控制环路会增加PWM占空比,以向负载提供更多电荷,并使电源轨恢复稳定。

线性稳压器和开关稳压器的应用

线性稳压器通常用于成本敏感、噪声敏感、低电流或空间受限的应用,如耳机、可穿戴设备等消费类电子产品和物联网(IoT)设备。例如,线性稳压器可用于助听器等应用,因为它们没有会产生意外噪声并干扰设备性能的开关元件。

另外,如果设计师更注重低成本而不太关心功耗,那线性稳压器也是最佳选择。

开关稳压器适用性更广,它尤其适用于需要高效率和高性能的应用,例如消费类、工业、企业和汽车应用(请参见图3)。例如,如果一个应用需要大型降压解决方案,则开关稳压器更适合,因为线性稳压器会产生高功耗,会损坏其他电气组件。

Step-Down Regulator

图3: MPQ4430-AEC1降压变换器

稳压器芯片的基本参数

使用稳压器时需要考虑的一些基本参数包括输入电压、输出电压和输出电流。这些参数可以确定哪种VR拓扑与用户芯片兼容。

另外还有一些根据应用不同可能相关的参数,包括静态电流、开关频率、热阻和反馈电压。

当应用对轻载或待机模式下的效率比较重视时,静态电流就非常重要。当应用需要紧凑型系统解决方案时,就应考虑开关频率这个参数,因为最大化开关频率可以使方案尽可能地小。

此外,参数热阻对设备散热以及整个系统中的散热至关重要。如果控制器中有一个内置MOSFET,则所有损耗(传导损耗和动态损耗)都将在封装内消散,在计算芯片最大工作温度时必须将其考虑在内。

反馈电压是另一个需要考虑的重要参数,因为它确定了稳压器可以支持的最低输出电压。而检查参考电压则是工程师的标准动作,参考电压限制了较低的输出电压,其精度会影响输出电压的调节精度。

如何选择合适的稳压器

要选择合适的稳压器,设计人员必须首先了解关键的参数需求,例如VIN, VOUT, IOUT,系统优先级(如效率、性能、成本),以及其他关键功能,例如电源正常(PG)指示或启用控制。

一旦确定了这些需求,就可以使用MPS的在线参数搜索表来找到满足所有需求的最佳器件。参数搜索表是MPS为设计人员提供的一个重要工具,它可以根据不同的应用参数需求,为用户提供了不同功能和封装的器件列表。

每个MPS器件还随附数据手册,详细介绍了需要哪些外部组件,以及如何计算组件值才能实现高效、稳定和高性能的设计。数据手册中的信息可用于计算组件值,如输出电容、输出电感、反馈电阻和其他关键系统组件。此外,还可以使用仿真工具(如DC/DC在线设计师或MPSmart软件)、参考应用说明,或者在有问题时联系当地的现场应用工程师。

MPS提供了各种高效紧凑的线性稳压器和开关稳压器,包括MP20056, MP28310, MPQ4572-AEC1, 和MPQ2013-AEC1

参考资料

电子工程术语表

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