線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器比較

雖然設(shè)計人員很清楚開關(guān) DC/DC 轉(zhuǎn)換器能效高，但線性穩(wěn)壓器仍是大多數(shù)應(yīng)用的最佳選擇。了解其中的原因?qū)椭O(shè)計人員做出正確選擇并妥善實現(xiàn)方案。

本文對線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器進行了比較，并介紹了在考慮能效的同時，如何相應(yīng)考慮簡潔性、低成本、穩(wěn)定性等因素。

開關(guān)穩(wěn)壓器：高效但復(fù)雜

開關(guān)穩(wěn)壓器效率高，并且能夠輕松實現(xiàn)升壓輸出、降壓輸出和電壓逆變。目前的模塊化芯片結(jié)構(gòu)緊湊、性能可靠，許多供應(yīng)商都有供應(yīng)。盡管開關(guān)穩(wěn)壓器具有許多優(yōu)勢，但也存在不足之處(表 1)。

首先，開關(guān)穩(wěn)壓器屬于復(fù)雜芯片，因此為確保新產(chǎn)品正常工作，可能需要更多的設(shè)計工作。其次，目前的開關(guān)穩(wěn)壓器集成度越高，成本也越高，并且還需增大芯片尺寸。最后，所有的高頻率開關(guān)往往會產(chǎn)生噪聲。

在高頻工作模式下，開關(guān)穩(wěn)壓器會在輸入和輸出濾波器上產(chǎn)生電壓和電流紋波，這是在設(shè)計中使用該器件所面臨的主要問題。而解決這些問題需要時間和設(shè)計技能。

線性穩(wěn)壓器可以解決開關(guān)穩(wěn)壓器的所有主要缺點。它們簡單且低成本，需要較少外部元器件，并且不會因開關(guān)產(chǎn)生多余的噪聲。如表 1 所示，對于恰當(dāng)?shù)膽?yīng)用選擇這些合適的線性穩(wěn)壓器才是明智之舉。

僅支持降壓工作模式

上段描述中有一關(guān)鍵詞“恰當(dāng)?shù)膽?yīng)用”，那是因為線性穩(wěn)壓器存在局限性，這意味著它們可能不適合某些設(shè)計，但卻會是另一些設(shè)計的合適之選。

例如，線性穩(wěn)壓器輸出只能低于輸入電壓(“降壓”)。因為存在局限性，所以需要增加額外的電池來提高基本 DC 供電電壓，才能確保電壓超過 LDO 需要的輸入電壓。每個穩(wěn)壓器需使用五個標稱電壓為 1 至 1.5 伏的電池，每個電池需要在其整個放電周期內(nèi)確?？煽康?5 伏輸出電壓。而額外增加電池的成本很快會超出使用較少電池即可運行的開關(guān)穩(wěn)壓器成本。此外，額外的電池還占據(jù)了寶貴的空間。

另外還有一個問題，如果產(chǎn)品中的元器件需要高于所有其他元器件的電壓，線性穩(wěn)壓器無法實現(xiàn)升壓輸出。還有類似的問題，在某些模擬電路需要負電壓的情況下，由于線性穩(wěn)壓器無法逆轉(zhuǎn)正電源，因而無法使用。

線性穩(wěn)壓器的效率不如開關(guān)器件，因此其電池的壽命不如開關(guān)穩(wěn)壓器長久。更糟糕的是，如果電池仍有一些電量，但合成后的輸出電壓低于芯片需要的最低電壓，將無法使用剩余電量。

相比之下，開關(guān)器件可以切換至升壓模式，從而用盡電池的最后電量。

當(dāng)電池的直流源的初始電壓高于實際需要的軌電壓，且電池電壓隨著放電的持續(xù)降至所需軌電壓以下時，降壓升壓穩(wěn)壓器就非常實用。降壓升壓器件可以在兩種模式中完美切換，即使在電池電壓降至軌電壓之下，仍可獲得所需的輸出軌電壓值。

在一些極低功耗應(yīng)用中，以縮短電池壽命為代價來避免使用開關(guān)穩(wěn)壓器是可以接受的。例如，使用線性穩(wěn)壓器導(dǎo)致高功耗產(chǎn)品的電池壽命從 12 小時縮短至 8 小時，消費者不太會對此感到高興;但如果價格足夠便宜，消費者很可能會接受低功耗產(chǎn)品的電池壽命從六個月縮短至五個月。

線性穩(wěn)壓器的高能效范圍

線性穩(wěn)壓器可能無法達到開關(guān)轉(zhuǎn)換器或穩(wěn)壓器的整體效率，但其仍具有自身的優(yōu)勢，在輸入和輸出電壓差降低時，穩(wěn)壓器能效就會升高。當(dāng)輸入電壓剛剛高于輸出電壓值時，線性穩(wěn)壓器的能效接近 95% 至 99%。

這種特征表明在特定應(yīng)用中的線性穩(wěn)壓器整體效率要高于僅做簡單直接比較而得出的結(jié)果。因此務(wù)必考慮產(chǎn)品工作期間內(nèi)電池的完整放電特性，并確定該段時間內(nèi)的平均效率以獲得精確數(shù)值(圖 1)。

圖 1：使用三節(jié) AA 型堿性電池(100 mW 恒定功率負載)的系統(tǒng)中線性穩(wěn)壓器能效與電池電壓之間的關(guān)系;請注意穩(wěn)壓器能效如何隨著電壓下降而升高。(圖片：Maxim Integrated)盡管電池滿電量時能效約為 73%，但整個放電周期內(nèi)的平均能效為 85%。應(yīng)該將此數(shù)值與開關(guān)穩(wěn)壓器等效數(shù)據(jù)進行比較，因為開關(guān)穩(wěn)壓器電池效率不會隨著電壓下降而升高。

再看一下圖 1，我們會發(fā)現(xiàn)在 20 小時后，盡管電池仍有一些電量，但由于輸入和輸出電壓差太小，以至于該器件無法調(diào)節(jié)電壓，繼而停止工作。電池實際為產(chǎn)品供電的總累積電量為：

平均調(diào)節(jié)效率 × 停止供電前的電池能量使用百分比 =85% × 80% = 68%。

選擇較低壓差特性的 IC 確保耗盡更多的電池電量，從而提高效率。

“壓差”是指調(diào)節(jié)停止前輸入和輸出電壓的差值。如圖 1 示例所示，如果線性穩(wěn)壓器更換成具有更高壓差的器件(3.4 至 3.0 伏)，電池可以多使用 2.5 小時，電池能源利用率將提高至：

85% × 90% = 76.5%

仔細查看制造商提供的規(guī)格書，因為一些所謂的“低壓差”(LDO) 器件的輸入/輸出壓差十分大。這意味著停止工作前，電池中仍含有很多電量。請注意，壓差可能隨負載電流變化而變化。

LDO 選擇與實現(xiàn)

對于希望在特定應(yīng)用中選擇使用 LDO 以便充分利用線性穩(wěn)壓器優(yōu)勢的設(shè)計工程師來說，很可能會在市場上紛繁蕪雜的選擇面前不知所措。雖然外觀簡潔，但一般的 LDO 規(guī)格書除基本的規(guī)格表通常還有二十、三十甚至更多性能圖。這些圖展現(xiàn)了靜態(tài)和動態(tài)性能以及在不同工作場景和條件下的功能。

在針對便攜式應(yīng)用的 LDO 器件中，有許多器件適合于寬輸入和輸出電壓范圍。一些具有固定輸出電壓、一些具有用戶可調(diào)節(jié)輸出電壓、一些可以提供負輸出軌。一些 LDO 較為通用并具有備用電源，而其他一些 LDO 針對特定應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ｉT優(yōu)化了一個或多個參數(shù)。以下幾個示例展示了市面上 LDO 的多樣性。

汽車：Maxim Integrated MAX16910 是用于汽車應(yīng)用的 200 mA 超低靜態(tài)電流 LDO。除了具備基本性能，該器件還適用于要求嚴苛的汽車應(yīng)用環(huán)境。具有 +45 伏的抗瞬變輸入電壓，可以應(yīng)對“負載突降”狀況并在該狀況下工作，還可工作于(指定值)-40°C 至 +125°C 的汽車溫度范圍(圖 2)。在 +3.5 伏至 +30 伏的輸入電壓下工作，僅消耗 20 微安 (?A) 空載靜態(tài)電流，在用戶控制關(guān)斷模式下僅為 1.6 μA。

圖 2：Maxim Integrated 的 MAX16910 十分引人注目，因為它符合質(zhì)保功能中嚴苛的汽車規(guī)定，并可在 -40°C 至 +125°C 的溫度范圍內(nèi)正常工作。(圖片：Maxim Integrated)負電壓：負電壓設(shè)計可不僅僅是反向連接轉(zhuǎn)換器，還涉及到接地參考問題以及其他拓撲問題。因而，需要特定的負電壓型 LDO。Analog Devices 的 ADP7183 具有負輸入/輸出電壓以及超低噪聲特性(圖 3)。

這些 IC 在 ?2.0 伏至 ?5.5 伏的輸入電壓下工作，最高提供 ?300 毫安 (mA) 的輸出電流。該器件提供 15 種 ?0.5 伏至 ?4.5 伏的固定輸出電壓選擇，或具有在 ?0.5 伏至 ?VIN + 0.5 伏范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)的輸出電壓。此外，輸出噪聲在 100 Hz 至 100 kHz 時僅為 4 μVRMS，噪聲譜密度在 10 kHz 至 1 MHz 時為 20 nV/√Hz。最后，典型電源抑制比 (PSRR) 在 10 kHz 時為 75 dB;100 kHz 時為 62 dB;1 MHz 時為 40 dB。

線性穩(wěn)壓器L7806CV www.dzsc.com/ic-detail/9_2854.html的詳細規(guī)格

類別：集成電路(IC)

PMIC - 穩(wěn)壓器 - 線性

制造商：STMicroelectronics

系列：-

包裝 ：管件

零件狀態(tài)：在售

輸出配置：正

輸出類型：固定

穩(wěn)壓器數(shù)：1

電壓 - 輸入(最大值)：35V

電壓 - 輸出(最小值/固定)：6V

電壓 - 輸出(最大值)：-

壓降(最大值)：2V @ 1A(標準)

電流 - 輸出：1.5A

電流 - 靜態(tài)(Iq)：8mA

PSRR：59dB(120Hz)

控制特性：-

保護功能：超溫，短路

工作溫度：0°C ~ 125°C

安裝類型：通孔

封裝/外殼：TO-220-3

供應(yīng)商器件封裝：TO-220-3

基本零件編號：L7806

輸出配置：正

輸出類型：固定

穩(wěn)壓器數(shù)：1

電壓-輸入(最大值)：35V

電壓-輸出(最小值/固定)：6V

壓降(最大值)：2V @ 1A(標準)

電流-輸出：1.5A

電流-電源：8mA

PSRR：59dB(120Hz)

保護功能：超溫，短路

工作溫度：0°C ~ 125°C

安裝類型：通孔

封裝/外殼：TO-220-3