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线性稳压器和开关稳压器比较

时间:2019-07-27 09:38 来源:中福机电 作者:湖南机电

虽然设计人员很清楚开关 DC/DC 转换器能效高,但线性稳压器仍是大多数应用的最佳选择。了解其中的原因将帮助设计人员做出正确选择并妥善实现方案。

本文对线性稳压器和开关稳压器进行了比较,并介绍了在考虑能效的同时,如何相应考虑简洁性、低成本、稳定性等因素。

开关稳压器:高效但复杂

开关稳压器效率高,并且能够轻松实现升压输出、降压输出和电压逆变。目前的模块化芯片结构紧凑、性能可靠,许多供应商都有供应。尽管开关稳压器具有许多优势,但也存在不足之处(表 1)。


首先,开关稳压器属于复杂芯片,因此为确保新产品正常工作,可能需要更多的设计工作。其次,目前的开关稳压器集成度越高,成本也越高,并且还需增大芯片尺寸。最后,所有的高频率开关往往会产生噪声。

在高频工作模式下,开关稳压器会在输入和输出滤波器上产生电压和电流纹波,这是在设计中使用该器件所面临的主要问题。而解决这些问题需要时间和设计技能。

线性稳压器可以解决开关稳压器的所有主要缺点。它们简单且低成本,需要较少外部元器件,并且不会因开关产生多余的噪声。如表 1 所示,对于恰当的应用选择这些合适的线性稳压器才是明智之举。

仅支持降压工作模式

上段描述中有一关键词“恰当的应用”,那是因为线性稳压器存在局限性,这意味着它们可能不适合某些设计,但却会是另一些设计的合适之选。

例如,线性稳压器输出只能低于输入电压(“降压”)。因为存在局限性,所以需要增加额外的电池来提高基本 DC 供电电压,才能确保电压超过 LDO 需要的输入电压。每个稳压器需使用五个标称电压为 1 至 1.5 伏的电池,每个电池需要在其整个放电周期内确保可靠的 5 伏输出电压。而额外增加电池的成本很快会超出使用较少电池即可运行的开关稳压器成本。此外,额外的电池还占据了宝贵的空间。

另外还有一个问题,如果产品中的元器件需要高于所有其他元器件的电压,线性稳压器无法实现升压输出。还有类似的问题,在某些模拟电路需要负电压的情况下,由于线性稳压器无法逆转正电源,因而无法使用。

线性稳压器的效率不如开关器件,因此其电池的寿命不如开关稳压器长久。更糟糕的是,如果电池仍有一些电量,但合成后的输出电压低于芯片需要的最低电压,将无法使用剩余电量。

相比之下,开关器件可以切换至升压模式,从而用尽电池的最后电量。

当电池的直流源的初始电压高于实际需要的轨电压,且电池电压随着放电的持续降至所需轨电压以下时,降压升压稳压器就非常实用。降压升压器件可以在两种模式中完美切换,即使在电池电压降至轨电压之下,仍可获得所需的输出轨电压值。

在一些极低功耗应用中,以缩短电池寿命为代价来避免使用开关稳压器是可以接受的。例如,使用线性稳压器导致高功耗产品的电池寿命从 12 小时缩短至 8 小时,消费者不太会对此感到高兴;但如果价格足够便宜,消费者很可能会接受低功耗产品的电池寿命从六个月缩短至五个月。

线性稳压器的高能效范围

线性稳压器可能无法达到开关转换器或稳压器的整体效率,但其仍具有自身的优势,在输入和输出电压差降低时,稳压器能效就会升高。当输入电压刚刚高于输出电压值时,线性稳压器的能效接近 95% 至 99%。

这种特征表明在特定应用中的线性稳压器整体效率要高于仅做简单直接比较而得出的结果。因此务必考虑产品工作期间内电池的完整放电特性,并确定该段时间内的平均效率以获得精确数值(图 1)。

线性稳压器和开关稳压器比较

图 1:使用三节 AA 型碱性电池(100 mW 恒定功率负载)的系统中线性稳压器能效与电池电压之间的关系;请注意稳压器能效如何随着电压下降而升高。(图片来源:Maxim Integrated)

尽管电池满电量时能效约为 73%,但整个放电周期内的平均能效为 85%。应该将此数值与开关稳压器等效数据进行比较,因为开关稳压器电池效率不会随着电压下降而升高。

再看一下图 1,我们会发现在 20 小时后,尽管电池仍有一些电量,但由于输入和输出电压差太小,以至于该器件无法调节电压,继而停止工作。电池实际为产品供电的总累积电量为:

平均调节效率 × 停止供电前的电池能量使用百分比 =

85% × 80% = 68%。

选择较低压差特性的 IC 确保耗尽更多的电池电量,从而提高效率。

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