解析线性稳压器和开关电源的基本原理和应用

时间： 2024-09-25 来源：TOPPOWER官网

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线性稳压器已使用很长时间，并且一直是电源转换中的关键元件，直到20世纪60年代开关电源SMPS的出现。线性稳压器的优点之一在于其简单性。包含可变电阻的电阻分压器以及可以调整该变量的反馈回路构成了产生降压稳压电压的基础。例如，该可变电阻可以是线性模式下的双极晶体管或场效应晶体管。集成线性稳压器IC只需要很少的外部元件，并且设计简单。这些稳压器中的输出电压纹波很低，有些仅产生几V的均方根噪声水平，因为没有开关元件。没有外部补偿回路也意味着更宽的控制回路带宽和更快的瞬态响应。线性稳压器的效率可以近似为：

h = 电压/输入电压

其中V_O和V_IN分别是输出和输入电压电平。因此，当V_O远低于V_IN时，效率会很低（例如，12V至3.3V的线性稳压器的效率仅为27.5%）。线性稳压器的另一个限制是它们无法提高电压电平（即在升压模式下运行）。因此，这些稳压器现在用于噪声和简单性优势占主导地位的应用中，尤其是在低功耗和低压差（即V_O接近V_IN）应用中。

在基于线性稳压器的电源中，输入交流线电压通常使用变压器降压至较低的交流电压水平。由于该变压器以50或60Hz的线路频率运行，因此体积较大。这一因素加上效率低下导致的热量损失（可能需要大型散热器），导致功率密度较低。

SMPS通过快速打开和关闭MOSFET等功率器件来工作。在降压转换器中（如图1所示），V_O和V_IN之间的关系可近似为：V_O=V_IN x D

其中D是开关器件Q的占空比（开关周期的导通时间百分比）。输出路径中的电感器L有助于维持电流流动，而续流二极管D1在开关器件关闭时完成电流路径。

图1：降压SMPS的简化原理图

用以（1-D）同步时间间隔开启的MOSFET替换该二极管有助于降低损耗。假设只有传导损耗，上述12V至3.3V转换示例中的同步降压转换器的效率可高达97%，而线性稳压器的效率为27.5%。这种巨大的效率提升是SMPS的主要优势。开关和电感损耗会降低这个数字，但仍可>95%。高开关频率有助于减小磁性元件的尺寸，但代价是增加有源器件中的开关损耗和电感器铁芯损耗。宽带隙（WBG）器件（例如由碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）制成的器件）具有较低的寄生电容，因此即使在高频下也具有相对较低的开关损耗。因此，它们非常适合高功率密度SMPS转换器。

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