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                    技術文章

                    線性穩壓器和開關穩壓器比較

                    信息來源: http://www.gittigidi.com  時間:2019/7/4 15:20:57 

                      雖然設計人員很清楚開關 DC/DC 轉換器能效高,但線性穩壓器仍是大多數應用的最佳選擇。了解其中的原因將幫助設計人員做出正確選擇并妥善實現方案。

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

                      開關穩壓器:高效但復雜

                      開關穩壓器效率高,并且能夠輕松實現升壓輸出、降壓輸出和電壓逆變。目前的模塊化芯片結構緊湊、性能可靠,許多供應商都有供應。盡管開關穩壓器具有許多優勢,但也存在不足之處(表 1)。

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

                      在高頻工作模式下,開關穩壓器會在輸入和輸出濾波器上產生電壓和電流紋波,這是在設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計技能。

                      線性穩壓器可以解決開關穩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,并且不會因開關產生多余的噪聲。如表 1 所示,對于恰當的應用選擇這些合適的線性穩壓器才是明智之舉。

                      僅支持降壓工作模式

                      上段描述中有一關鍵詞“恰當的應用”,那是因為線性穩壓器存在局限性,這意味著它們可能不適合某些設計,但卻會是另一些設計的合適之選。

                      例如,線性穩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穩壓器成本。此外,額外的電池還占據了寶貴的空間。

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

                      線性穩壓器的效率不如開關器件,因此其電池的壽命不如開關穩壓器長久。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,開關器件可以切換至升壓模式,從而用盡電池的最后電量。

                      當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降至所需軌電壓以下時,降壓升壓穩壓器就非常實用。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。

                      在一些極低功耗應用中,以縮短電池壽命為代價來避免使用開關穩壓器是可以接受的。例如,使用線性穩壓器導致高功耗產品的電池壽命從 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品的電池壽命從六個月縮短至五個月。

                      線性穩壓器的高能效范圍

                      線性穩壓器可能無法達到開關轉換器或穩壓器的整體效率,但其仍具有自身的優勢,在輸入和輸出電壓差降低時,穩壓器能效就會升高。當輸入電壓剛剛高于輸出電壓值時,線性穩壓器的能效接近 95% 至 99%。

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

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

                      再看一下圖 1,我們會發現在 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節電壓,繼而停止工作。電池實際為產品供電的總累積電量為:

                      平均調節效率 × 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”是指調節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

                      對于希望在特定應用中選擇使用 LDO 以便充分利用線性穩壓器優勢的設計工程師來說,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 規格書除基本的規格表通常還有二十、三十甚至更多性能圖。這些圖展現了靜態和動態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、一些具有用戶可調節輸出電壓、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 針對特定應用領域專門優化了一個或多個參數。以下幾個示例展示了市面上 LDO 的多樣性。

                      汽車:Maxim Integrated MAX16910 是用于汽車應用的 200 mA 超低靜態電流 LDO。除了具備基本性能,該器件還適用于要求嚴苛的汽車應用環境。具有 +45 伏的抗瞬變輸入電壓,可以應對“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) 空載靜態電流,在用戶控制關斷模式下僅為 1.6 μA。

                      圖 2:Maxim Integrated 的 MAX16910 十分引人注目,因為它符合質保功能中嚴苛的汽車規定,并可在 -40°C 至 +125°C 的溫度范圍內正常工作。(圖片來源:Maxim Integrated)負電壓:負電壓設計可不僅僅是反向連接轉換器,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 伏范圍內可調節的輸出電壓。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。

                      圖 3:Analog Devices 的 ADP7183 系列實際上經常用于負電源/負輸出應用;這些器件可以配置為固定輸出電壓(這里指上面示意圖中的 ?3.3 伏)或用戶可調節輸出電壓(這里指下面示意圖中設置的 ?2.5 伏)。(圖片來源:Analog Devices)固定/可變雙輸出:通常情況下,一些應用不僅僅需要一個單通道 LDO,因此 Texas Instruments 推出具有一個 2.5 伏固定輸出電壓和一個可調節輸出電壓的 LFC789D25 雙通道線性控制器??刂破鞯妮敵隹梢则寗油獠?N 溝道 MOSFET,因此電流可能相對較高,達 3 A(典型值)。這種 IC 適用于 DDR1 存儲器電壓 (VDDQ) 和緩沖器 VREF 等應用(圖 4)。內部基準的溫度補償性能具有 2% 容差,足以滿足這種情況。

                      圖 4:Texas Instruments 的 LFC789D25 雙路線性控制器具有一個固定輸出電壓和一個可調節輸出電壓,可以滿足 DDR1 和類似存儲器陣列等重要應用領域的需求。(圖片來源:Texas Instruments)。

                      近乎為零的靜態電流:對于電池供電型應用而言,珍惜使用可用的能量對于實現續航時間目標至關重要,Richtek RT9069 系列具有 2 ?A 的超低靜態電流 (Iq)。使能引腳可以讓這些 IC 處于深度休眠狀態,此時的靜態電流為零。

                      這些 LDO 在 3.5 伏至 36 伏的寬輸入電壓范圍下工作提供高達 200 mA 的電流。它們提供 2.5、3.3、5、9 或 12 伏固定輸出電壓。這些 LDO 在整個輸入電壓范圍和輸出電流范圍內保持性能穩定,除了大多數 LDO 最需要的標準輸入濾波電容器外,只需使用一個單一陶瓷輸出電容器(圖 5)。

                      圖 5:Richtek RT9069 系列旨在將高度受限的電池供電型應用的續航時間最大化,它們具有 2 ?A 的靜態電流,且當處于禁用狀態時靜態電流為零。(圖片來源:Richtek Technology Corp.)充分利用 LDO

                      雖然 LDO 操作簡單,但仍需重視一些基本的指導原則,以充分利用其優勢并避免潛在損害。它們存在一些實際設計問題,如熱問題和封裝、布局注意事項以及噪聲拾取。

                      對于熱問題,關鍵是研究規格書中有關安全工作區和降額的表格和圖形(圖 6)。

                      圖 6:對于 LDO 來說,安全工作區的最大允許輸出電流與輸入輸出電壓差的幅值成反比;根據圖中標準 SO-8 和專有 8 引腳 ?MAX 封裝之間的差異所示,封裝類型也十分關鍵。(圖片來源:Maxim Integrated)降額是一種多變量函數,包括 LDO 封裝。5 引腳 SOT-23 封裝的典型額定耗散超過 500 mW,而一些裸焊盤的額定值是該數值的四倍。如果 LDO 位于具有充足氣流的最佳位置和/或低阻抗熱路徑,將可以直接使用供應商數據來確定因自發熱而造成的降額性能。

                      總結

                      線性穩壓器的優勢在于,直流輸出中產生的噪聲極少,輸出非?!案蓛簟?,但是能效比開關轉換器低很多,不能像開關穩壓器一樣實現高于輸入電壓的升壓輸出。

                      盡管如此,一些應用仍會首選線性穩壓器,而就簡潔性、成本、在特定工作條件下以及能效而言,線性穩壓器是 DC/DC 轉換器拓撲結構的“最佳”選擇。

                      線性穩壓器NCV78L15ABDR2G www.dzsc.com/ic-detail/9_2967.html的規格信息

                      制造商零件編號:NCV78L15ABDR2G

                      制造商:ON Semiconductor

                      描述:IC REG LDO 15V 0.1A 8SOIC

                      系列:自動,AEC-Q100

                      穩壓器拓撲:正,固定式

                      電壓 - 輸出:15V

                      電流 - 輸出:100mA

                      電壓 - 跌落(典型值):1.7V @ 40mA

                      穩壓器數:1

                      電壓 - 輸入:最高 35V

                      電流 - 限制(最小值):-

                      工作溫度:-40°C ~ 125°C

                      安裝類型:表面貼裝

                      封裝/外殼:8-SOIC(0.154",3.90mm 寬)

                      供應商器件封裝:8-SOIC N

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