如何選擇穩(wěn)壓器？

如何選擇穩(wěn)壓器? 

所有電子項(xiàng)目都需要電力。電力可以來(lái)自電池中存儲(chǔ)的能量，也可以直接來(lái)自市電交流電壓或來(lái)自太陽(yáng)能等可再生能源的直流電。電源管理 IC (PMIC)有助于管理系統(tǒng)中的電源要求，包括調(diào)節(jié)電壓、電池充電和 DC-DC 轉(zhuǎn)換。選擇正確的 PMIC 可以決定最終產(chǎn)品是否成功。任何 PMIC 解決方案的一個(gè)組成部分是穩(wěn)壓器。穩(wěn)壓器通過(guò)更高或更低的輸入電壓提供恒定的輸出電壓。在本博客中，讓我們看看穩(wěn)壓器的種類、如何選擇它們。

穩(wěn)壓器

電壓調(diào)節(jié)器在系統(tǒng)運(yùn)行期間提供穩(wěn)定的直流電壓。穩(wěn)壓器可以從墻上插座的交流電源電壓或電子設(shè)備中的電池接收電力。電池幾乎隨時(shí)間線性放電，并且需要電壓調(diào)節(jié)器來(lái)維持電子系統(tǒng)的穩(wěn)定電源。這可以在下面看到：

電池隨時(shí)間放電——需要電壓調(diào)節(jié)

除了為電路供電外，精確的直流電壓通常用作比較電壓信號(hào)以做出決策的參考。如果這個(gè)參考電壓不是很穩(wěn)定并且波動(dòng)很大，它會(huì)影響系統(tǒng)的決策。注意：輸入電壓和電源電壓有時(shí)可以互換使用，因?yàn)榉€(wěn)壓器使用電源電壓作為輸入。

讓我們深入了解一些用于選擇穩(wěn)壓器的最常見(jiàn)參數(shù)。我們將以德州儀器的TPS76733為例，了解驅(qū)動(dòng)選擇特定穩(wěn)壓器決策的參數(shù)。

重要參數(shù)：

輸出電壓：  輸出電壓是您期望電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)電壓的恒定電壓。穩(wěn)壓器接收噪聲輸入并將其調(diào)節(jié)到特定電壓，例如 3.3V。

精度：精度是指輸出電壓隨溫度和負(fù)載電流變化的程度。

負(fù)載電流：負(fù)載電流是指負(fù)載系統(tǒng)從穩(wěn)壓器預(yù)期的最大輸出電流。

效率：穩(wěn)壓器的效率由輸出功率與輸入功率的比值給出，該比值與輸出電壓與輸入電壓的比值成正比。穩(wěn)壓器的壓差限制了輸出與輸入的接近程度。壓差越低，線性穩(wěn)壓器的效率就越高。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器理論上具有百分百的效率，但實(shí)際上受限于 FET 開(kāi)關(guān)的電阻、二極管壓降以及電感器和輸出電容器的 ESR。

壓差電壓：壓差電壓僅適用于線性穩(wěn)壓器。它是輸出和輸入電源電壓之間的最小可能差異，同時(shí)保持在穩(wěn)壓器的預(yù)期工作范圍內(nèi)。對(duì)于 TPS76733，壓差電壓為 350 mV。為了獲得正確的 3.3V 輸出，輸入電壓必須至少為 3.65V，如下所示：

3.3V 穩(wěn)壓器的壓差區(qū)

電源抑制比：  電源抑制比或 PSRR 是指輸出電壓變化與輸入電源電壓變化的比率。例如，如果電源在 1kHz 時(shí)有 1mV 紋波，它轉(zhuǎn)換為 1uV 的輸出紋波，則 PSRR 在 1kHz 時(shí)為 60dB。正如您在下面看到的，更高的頻率具有更低的 PSRR，因此有更大的機(jī)會(huì)耦合到輸出中。

       負(fù)載調(diào)整率： 負(fù)載調(diào)整率是指輸出電壓隨負(fù)載電流的變化而變化的幅度。因此，如果負(fù)載電流從 1mA 大幅躍升至 101mA，并將輸出電壓改變 10mV，則負(fù)載調(diào)節(jié)率為 0.1mV/mA。

瞬態(tài)響應(yīng)： 當(dāng)輸出電流快速變化時(shí)，穩(wěn)壓器需要一段時(shí)間才能恢復(fù)到預(yù)期的輸出電壓。輸出端可能存在“尖峰”。這可以使用示波器看到。您可以在下面看到負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)：

負(fù)載電流切換 時(shí)輸出電壓顯示 100mV 的尖峰

       有兩種主要類型的電壓調(diào)節(jié)器。第一類是線性穩(wěn)壓器。線性穩(wěn)壓器使用輸出端的阻抗控制來(lái)降低電壓。第二類是開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器或DC-DC轉(zhuǎn)換器。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器可以根據(jù)架構(gòu)提高或降低電壓，它們通過(guò)使用開(kāi)/關(guān)開(kāi)關(guān)操作來(lái)實(shí)現(xiàn)。線性穩(wěn)壓器通常效率較低但更便宜，另一方面，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器效率更高但價(jià)格更高。

一、線性穩(wěn)壓器：

線性穩(wěn)壓器用于將高輸入電壓降到輸出端的穩(wěn)定電壓。線性穩(wěn)壓器通過(guò)根據(jù)負(fù)載電流改變輸出阻抗來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，從而產(chǎn)生恒定的輸出電壓。典型的線性穩(wěn)壓器如下所示。當(dāng)壓差電壓較低時(shí)，稱為低壓差穩(wěn)壓器或LDO 。LDO 使用 PMOS 或 PNP BJT 作為其通過(guò) FET。Cout 是輸出引腳上的最小電容，以確保穩(wěn)定性。

線性穩(wěn)壓器的 IC 內(nèi)部

        何時(shí)使用線性穩(wěn)壓器？

        噪聲極低的應(yīng)用：開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器具有較高的噪聲，因?yàn)樗鼈兙哂虚_(kāi)關(guān)操作。另一方面，線性穩(wěn)壓器不使用開(kāi)關(guān)操作，因此它們的輸出噪聲要低得多。一種常見(jiàn)的方法是使用由低壓差穩(wěn)壓器或 LDO 級(jí)聯(lián)的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器來(lái)獲得盡可能低的噪聲。

極低功耗應(yīng)用： 視具體情況而定，但線性穩(wěn)壓器可以設(shè)計(jì)為具有小于 100uA 的靜態(tài)電流，但開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器通常需要復(fù)雜的電流/電壓反饋控制電路，這需要更多的靜態(tài)功率。

當(dāng)輸出電壓接近輸入電壓時(shí)：當(dāng)輸出電壓非常接近輸入電壓 時(shí)，配置為 LDO 的線性穩(wěn)壓器可以具有非常高的效率，因?yàn)樗c輸入電壓的輸出電壓成正比。

低成本應(yīng)用： 線性穩(wěn)壓器易于使用，最多只需要一個(gè)外部電容器。另一方面，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器需要一個(gè)電感器、電容器和一個(gè)肖特基二極管。

二、開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器：

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器或 DC-DC 轉(zhuǎn)換器普遍用于幾乎所有電子設(shè)備中。它們很受歡迎，因?yàn)樗鼈冊(cè)谥绷麟妷旱纳龎海ㄉ龎恨D(zhuǎn)換器）和降壓（降壓轉(zhuǎn)換器）期間都具有高效率。下面是用于降低直流電壓的降壓轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)化圖。需要一個(gè)控制器 IC 來(lái)檢測(cè)反饋電壓并相應(yīng)地調(diào)整開(kāi)關(guān) PWM。今天的一些 DC-DC 轉(zhuǎn)換器用晶體管代替二極管，以實(shí)現(xiàn)更高的效率同步整流。由于需要更復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)器，因此這種效率的成本更高。

降壓轉(zhuǎn)換器示意圖

       何時(shí)使用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器？

高效率應(yīng)用：開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器打開(kāi)和關(guān)閉，因此它們能夠更高效。它們甚至可以達(dá)到 90% 的效率，這是線性穩(wěn)壓器難以達(dá)到的，除非它們被配置為 LDO。

       當(dāng)直流輸出電壓需要高于輸入電壓時(shí)：對(duì)于升壓或降壓-升壓配置，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器允許直流輸出電壓高于輸入電壓。這在需要突然大電壓的情況下特別有用，例如相機(jī)中的閃光燈。

當(dāng)需要良好的熱性能時(shí)：線性穩(wěn)壓器會(huì)浪費(fèi)大量功率，這些功率會(huì)以熱量的形式散發(fā)，通常需要散熱器。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器不需要散熱器。此外，由于它們與控制 IC 一起使用，您可以獲得線性穩(wěn)壓器 IC 中通常缺少的“過(guò)溫保護(hù)”。

開(kāi)關(guān)控制器與開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器

你可能會(huì)在開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的上下文中看到這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器 IC 處理IC 內(nèi)的開(kāi)關(guān)操作。結(jié)果，它們無(wú)法處理大量電流。另一方面，對(duì)于開(kāi)關(guān)控制器，開(kāi)關(guān)功能是在 IC 外部完成的，這允許更高的電流。開(kāi)關(guān)控制器有更多的配置選項(xiàng)，并且比開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器復(fù)雜得多?？傊?如果你需要非常高的電流，請(qǐng)使用開(kāi)關(guān)控制器，因?yàn)樗鼈兪褂猛獠块_(kāi)關(guān) FET 。

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