1.1.1 線性穩壓器,所謂線性穩壓器,也就是我們俗話說的 LDO,一般有這么兩種特點:
傳輸元件工作在線性區,它沒有開關的跳變;
僅限于降壓轉換,很少會看到升壓的應用。
1.1.2 開關穩壓器
傳輸器件開關(場效應管),在每個周期完全接通和完全切斷的狀態;
里面至少包括一個電能儲能的元件,如:電感器或者電容器;
多種拓撲(降壓、升壓、降壓-升壓等)
1.1.3 充電泵,一般在一些小電流的應用
傳輸器件開關(如:場效應管、三極管),有些完全導通,而有些則工作在線性區;
在電能轉換或者儲能的過程中,僅限使用了電容器,如一些倍壓電路。
答疑:有些情況為什么要使用開關穩壓器?為什么不用 LDO 和充電泵?
我們知道,所有的能量都不會憑空消失,損耗的能量最終會以熱的形式傳遞出去,這樣,工程師在設計中就會產生很大的挑戰,比如說,損耗最終以熱的形式傳遞,那么電路中就需要增加更大的散熱片,結果電源的體積就變大了,而且整機的效率也很低。如果在開關模式的開關電源,不僅可以提高效率,還可以降低了熱管理的設計難度。
我們可以舉一個例子來對比線性電源和開關電源的效率和體積:
從它們的效率來看,一個 12V 輸入,3.3V/2A 輸出的電源,如果用線性穩壓器來實現的話,它輸出效率只有 28%,而用開關電源來做的話,它的輸出效率能達到 90%以上。所以線性電源在高輸入電壓,低輸出電壓的情況下的效率是非常的低,它只適用于一些輸入和輸出的壓差比較低的場合。像這些情況下使用開關電源的優勢是顯而易見的。線性穩壓器的損耗為 17.4W,開關穩壓器的損耗只有 0.73W,這些損耗最終會以熱量的形式傳遞出去,器件的工作溫度=器件溫升+環境溫度,溫升=熱阻 × 損耗的情況下:假如器件的熱阻 θ=35℃/W來計算,LDO 的溫升=35℃ ×17.4W=609℃,開關穩壓器溫升=35℃ ×0.73W=25.55℃??梢?,開關穩壓器可以工作在 60~70℃的環境溫度也是沒問題的,而 LDO 在這種情況下,發熱非常嚴重,必須得降低它的熱阻,而熱阻的大小就取決于散熱面積,散熱面積越大,熱阻就越小,所以 LDO 需要很大的散熱面積(如下圖),來減少它的熱阻以獲得較低的溫升。
1.1.4 下圖為線性電源和開關電源體積的比較
上圖紅色標注地方分別是一個 2.5W 的 LDO 和一個 6W 的開關電源,兩者功率相差 2.4倍,但開關電源的面積僅是 LDO 的 1/4 不到,也就是說開關電源的損耗大大減少了,能夠承受更高的熱阻,減少散熱的面積。再次強調一遍,如果說輸入與輸出之間壓差較低的情況下,可以使用 LDO,但壓差較大的情況下,建議使用開關電源。當然,開關電源也有它的劣勢,它的輸出會有噪聲、振鈴、跳變,而 LDO 則不會。某些場合的負載對電源的電壓是很敏感的話,可以在開關電源后面
載加一級 LDO。例如我們要把 5V 轉為 1.2V , 如果直接有 LDO 的話,效率可能只有 20%,但我們可以把 5V 用開關電源變為 1.5V,再用 LDO 把 1.5V 轉為 1.2V,這樣,效率就會高,是一個比較優化的設計。
1.1.5 總結:開關電源 VS 線性穩壓器
(1)開關電源
① 能夠提升電壓(升壓)
② 以及使電壓減低(降壓)甚至反相
③ 具有較高的效率和功率密度
(2)線性穩壓器
① 只能實現降壓
② 輸出電壓相對更穩定
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