24V總線工業(yè)應用中線性穩(wěn)壓器與開關式穩(wěn)壓器比較

圖1 集成MOSFET的開關式(降壓)轉換器

圖2 集成、寬輸入電壓線性穩(wěn)壓器

線性穩(wěn)壓器已存在了許多年。一些設計人員仍然把已存在了20多年之久的線性穩(wěn)壓器用于眾多新老項目。另一些設計人員則通過離散組件制作出屬于自己的線性穩(wěn)壓器。在進行寬范圍電壓轉換時，線性穩(wěn)壓器的簡單性是一個難以超越的優(yōu)勢。但是，如果壓降過大，則24V總線的低電流應用(例如：工業(yè)應用或者HVAC控制等)可能會遇到熱問題。幸運的是，設計人員現(xiàn)在有許多選擇，可以使用小型、高效、寬輸入電壓開關式穩(wěn)壓器。

本文將對24V總線、100mA和5V輸出的三種不同解決方案進行比較。我們把一個同步降壓轉換器與一個集成線性穩(wěn)壓器和一個離散線性穩(wěn)壓器進行對比。通過比較它們的尺寸、效率、散熱性能、瞬態(tài)響應、噪聲、復雜度和成本，幫助廣大設計人員選擇最能滿足某個特殊應用要求的解決方案。

比較條件

大多數(shù)工業(yè)應用都使用24V總線，并要求5V電壓來驅動各種負載，例如：邏輯和低電流微處理器等。我們選擇100mA的輸出電流，原因是它可適應許多邏輯和處理器負載。但是，功耗水平會影響我們使用開關式穩(wěn)壓器還是線性穩(wěn)壓器的決定。圖1、2和3所示電路均建立在相同電路板基礎上，并使用相同額定值的1µF輸入和4.7µF輸出陶瓷電容器。

圖1所示設計使用一個具有集成MOSFET的同步降壓轉換器，即德州儀器的TPS54061。注意，該電路并不要求使用一個保護二極管，但卻包含了1個電感、5個電容器和4個電阻器。該器件還使用了外部補償，并使用與圖2和圖3所示線性電路一樣的輸入和輸出電容器。

圖2所示設計使用了一個集成、寬輸入電壓線性穩(wěn)壓器，即德州儀器的LM317，它是一種具有1.5A輸出能力的流行工業(yè)標準穩(wěn)壓器。該電路使用2個外部電阻器和2個外部電容器。輸入和輸出電壓的巨大差異，要求雙decawatt封裝(DDPak)的低熱電阻。

圖3顯示的是一個離散線性穩(wěn)壓器，它使用一個晶體管和一個齊納二極管，并有2個外部電容器和4個外部電阻器。5.6V下時，齊納二極管損壞，該電壓被饋給NPN晶體管的基極。由于存在基極-發(fā)射極壓降，輸出被調節(jié)至~5 V。外部電阻器用于幫助降低NPN晶體管的功耗。

表1概括了這類設計的板面積和組件數(shù)目。

線性穩(wěn)壓器解決方案要求使用更多的板面積來緩解電路板上的熱問題。全負載下時，所有線性穩(wěn)壓器解決方案的功耗都必須達到約2W。一般而言，1平方英寸板面積內，1W左右的功耗會帶來100°C的溫升。按照設計，線性穩(wěn)壓器解決方案僅允許40°C的溫升。如果不考慮外部組件的數(shù)目以及補償反饋環(huán)路和選擇電感的大量設計工作，在板面積有限時，同步降壓轉換器無疑是理想選擇。

散熱性能

圖4所示熱圖像表明了這類電路板設計的溫升情況。這樣設計電路板的目的是，讓所有電路均不會干擾相鄰電路的散熱性能。表2表明，開關式穩(wěn)壓器具有低溫升，其溫度為11°C。輸入和輸出電壓之間存在巨大差異時，相比線性電路，同步整流開關式穩(wěn)壓器的效率表現(xiàn)優(yōu)異。(參見表3)有趣的是，我們注意到，集成線性電路的溫升不同于離散線性電路。由于集成線性穩(wěn)壓器的封裝(DDPak)更大，因此它的散熱所分布面積也更大。使用SOT-23和SOT223封裝的離散線性電路比DDPak小，并擁有更高的封裝功耗額定值，從而讓散熱更加困難。

圖3 離散線性穩(wěn)壓器

表1 板面積和組件數(shù)目概括表

表2 散熱性能總結表

圖4 每種電路的發(fā)熱情況(白色表示最高溫度)

表3 效率和功率損耗總結表

圖5 效率與負載電流的關系曲線圖

圖6 功耗與負載電流的關系曲線圖

效率比較

散熱性能直接與每種穩(wěn)壓器的效率有關。圖5顯示了所有三種電路的效率比較情況。正如我們所預測的那樣，在輕負載和全負載效率兩方面，開關式穩(wěn)壓器均表現(xiàn)優(yōu)異。在輕負載下，開關損耗和靜態(tài)電流損耗更加明顯，其解釋了更輕負載下效率較低的原因。輕負載下時，最好是查看功耗曲線圖(圖6)，而非效率曲線圖，因為10mA下50%的效率差異看似為一個較大的余量。但是，負載消耗的電流較小。當輸入電壓為24V而輸出電流為10mA時，開關式穩(wěn)壓器的功耗為2.8mW，集成線性穩(wěn)壓器的功耗則為345mW。在全負載條件下，開關式穩(wěn)壓器的測得功耗為0.093 W，而線性穩(wěn)壓器則為2.06W，其表明余量較寬并且性能獲得明顯改善。

表3總結了所有三個電路的效率和功耗。注意，離散線性電路的靜態(tài)電流小于集成線性電路。相比離散線性電路，集成線性穩(wěn)壓器內部電路的功耗更高，并擁有更多的功能。

輸出電壓特性

模擬電路對電壓紋波敏感，而數(shù)字處理器則對內核電壓的精度敏感。應查看電源的電壓紋波、電壓調節(jié)精度以及負載瞬態(tài)期間的電壓峰值偏差，這一點很重要。線性穩(wěn)壓器本身的紋波較低，可用于消除開關式穩(wěn)壓器的噪聲。在最大負載條件下，集成和離散線性穩(wěn)壓器電路的電壓紋波均小于10mV。以輸出電壓百分比表示時，精度應大于0.2%。另一方面，開關式穩(wěn)壓器的電壓紋波為75mV，即輸出電壓的1.5%。開關式穩(wěn)壓器的陶瓷輸出電容器的低等效串聯(lián)電阻特點，使這種電路的紋波較低，但存在開關式穩(wěn)壓器的固有噪聲。

比較空載到全負載時開關式穩(wěn)壓器和線性穩(wěn)壓器的輸出電壓精度表明，開關式穩(wěn)壓器擁有更高的性能。進一步查看產(chǎn)品規(guī)格表，我們可知道，開關式穩(wěn)壓器的基準電壓是三種電路中精度最高的。開關式穩(wěn)壓器是一種相對較新的集成電路，并且DC/DC轉換器正朝著更高的基準電壓精度發(fā)展。離散線性電路使用一種更加簡單的方法來調節(jié)輸出電壓，其性能最低。在許多情況下，由于調節(jié)后輸出電壓為5V，許多應用不需要高電壓精度。

圖7到圖9顯示了負載瞬態(tài)曲線圖。盡管開關式穩(wěn)壓器擁有高輸出電壓精度，但其在負載瞬態(tài)期間測得的峰值到峰值電壓并沒有線性電路好。50mA到100mA負載步進期間，開關式穩(wěn)壓器的測得峰值到峰值電壓為250mV，即輸出電壓的5%，而線性電路則為40mV。我們可以為開關式穩(wěn)壓器添加更多輸出電容，以降低電壓峰值，但是代價是成本和尺寸的增加。注意，離散線性電路的設計目的并非是恢復負載瞬態(tài)期間的輸出電壓。另外，簡單電路無法實現(xiàn)限流或者熱關斷保護功能!

圖7 負載瞬態(tài)期間的開關式穩(wěn)壓器

圖8 負載瞬態(tài)期間的集成線性穩(wěn)壓器

圖9 負載瞬態(tài)期間的離散線性穩(wěn)壓器

表4總結了三種穩(wěn)壓器設計的輸出電壓特性。

表4 輸出電壓特性總結表

成本比較

這些電路中使用的大多數(shù)外部組件均為小型、無源電阻器和電容器，成本不超過0.01美元。三個電路中成本最高的組件是硅。所有三個材料清單(BOM)的費用(如表5所示)，均收集自10000顆批發(fā)建議銷售定價的美國銷售渠道。正如我們所看到的那樣，線性穩(wěn)壓器解決方案的成本遠低于開關式穩(wěn)壓器。不幸的是，開關式穩(wěn)壓器要求使用一個外部電感，其費用約為0.10美元，但它所帶來的效率提高和尺寸縮減值得我們?yōu)榇硕嘟o錢。集成和離散線性穩(wěn)壓器的成本差異僅為0.06美元!單是保護功能就能證明集成線性穩(wěn)壓器相比離散線性穩(wěn)壓器的優(yōu)勢所在。

表5 BOM成本總結表

表6總結了所有三種穩(wěn)壓器設計的特性，幫助設計人員為某種具體應用選擇最佳解決方案。

表6 24V輸入5V/100mA穩(wěn)壓器特性

結論

有許多電源管理解決方案可供設計人員選擇，但需根據(jù)具體應用需求來選擇最佳的解決方案。那些能夠降低能耗和節(jié)省板空間的電源管理解決方案，使設計人員讓其產(chǎn)品具備更加差異化的特性，并在市場上表現(xiàn)出對用戶的吸引力。相比線性電路，同步降壓轉換器的效率更高，板空間更節(jié)省。如果某個設計必須實現(xiàn)最低的成本，則可使用離散線性電路，但其性能最低，并且還存在許多潛在問題，例如：散熱和缺少保護功能等。