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技術(shù)專題
使用開關穩(wěn)壓器與線性穩(wěn)壓器進行DC-DC轉(zhuǎn)換
大多數(shù)設計人員談論功率調(diào)節(jié)和DC-DC轉(zhuǎn)換時，他們專注于效率并談論開關調(diào)節(jié)器。比較開關穩(wěn)壓器與線性穩(wěn)壓器時，這是有道理的。對于低電平電路，可以使用高效的開關穩(wěn)壓器作為IC。那么線性穩(wěn)壓器在哪里適合DC-DC轉(zhuǎn)換領域，您如何在功率調(diào)節(jié)策略中使用它們呢？
通常，是使用開關穩(wěn)壓器還是線性穩(wěn)壓器，還是級聯(lián)穩(wěn)壓器的組合，取決于未穩(wěn)壓源的性質(zhì)。如果您專門設計功率調(diào)節(jié)器來適應電源的行為，則可以減少組件數(shù)量和系統(tǒng)復雜性。這是每種類型的調(diào)節(jié)器如何在DC-DC轉(zhuǎn)換中發(fā)揮作用，以及如何設計電路以適應未調(diào)節(jié)的電源。
功率轉(zhuǎn)換中的開關穩(wěn)壓器與線性穩(wěn)壓器
開關穩(wěn)壓器和線性穩(wěn)壓器用于各種系統(tǒng)，并且多個穩(wěn)壓器可以級聯(lián)（即，串聯(lián)放置）。轉(zhuǎn)換為高直流電壓后，通常會使用另一個開關穩(wěn)壓器/ VRM為特定電路模塊提供所需的輸出電壓。或者，您可以在輸出級使用線性穩(wěn)壓器來提供穩(wěn)定的輸出，并留有一定的余量。這是放置低壓差穩(wěn)壓器的典型位置。
這種將多個調(diào)節(jié)器串聯(lián)放置的調(diào)節(jié)策略非常普遍，并且比單個調(diào)節(jié)器具有多個優(yōu)勢。下面顯示了顯示此示例策略的框圖。
適應交流電源
上述策略旨在在非穩(wěn)壓DC和穩(wěn)壓DC之間進行轉(zhuǎn)換，但也可以與AC線路輸入一起使用。為此，只需在第一個開關轉(zhuǎn)換器的輸入處放置一個全波二極管電橋。
開關轉(zhuǎn)換器會在未調(diào)節(jié)的輸入AC電流上引起諧波失真，從而降低調(diào)節(jié)器的整體效率。因此，功率因數(shù)校正（PFC）電路用于消除AC電流尖峰并使輸入AC電流呈現(xiàn)正弦波并帶有一些波紋。根據(jù)歐洲EMC準則，必須使用PFC電路，這有助于減少主電源消耗的過多功率。
轉(zhuǎn)換器安排
上圖中的第一轉(zhuǎn)換器級通常是開關穩(wěn)壓器。這樣做是因為轉(zhuǎn)換器通常需要將高電壓信號降壓到中等或低電壓電平。轉(zhuǎn)換器還需要配置為具有較高的PSRR，以便在相關頻率范圍內(nèi)提供較大的噪聲/紋波抑制。
上述策略中的輸出轉(zhuǎn)換器可以是開關穩(wěn)壓器或線性穩(wěn)壓器，具體取決于確切的功率要求，第一轉(zhuǎn)換器級中的任何控制機制以及未穩(wěn)壓電源的行為。
就紋波噪聲而言，線性穩(wěn)壓器趨向于在更寬的頻率范圍內(nèi)提供紋波抑制，從而使其可用于抑制來自上游穩(wěn)壓器的寬帶噪聲。這是上述策略中經(jīng)常在輸出上使用線性穩(wěn)壓器的原因之一。
通常在輸出上使用的線性穩(wěn)壓器是LDO穩(wěn)壓器。只要輸入電壓高于調(diào)節(jié)器的裕量，這些調(diào)節(jié)器就會使用運算放大器將調(diào)節(jié)器的輸出設置為所需的電平。開關穩(wěn)壓器也可以用于輸出，這再次取決于所需的降壓電平，輸入到最終穩(wěn)壓器的信號是否會變化以及它是否包含控制電路。
開關穩(wěn)壓器與線性穩(wěn)壓器的比較
由于第一個轉(zhuǎn)換器通常會提供較大的輸入電壓降壓，因此一般在此階段使用開關穩(wěn)壓器。這是因為開關穩(wěn)壓器非常高效，如下表所示。開關穩(wěn)壓器的三種常見拓撲是降壓（降壓），升壓（升壓）或降壓-升壓（可通過調(diào)節(jié)PWM信號的占空比進行配置）。如上所述，最后的調(diào)節(jié)器級可以是線性調(diào)節(jié)器或LDO調(diào)節(jié)器。
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線性穩(wěn)壓器 |
開關穩(wěn)壓器 |
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效率 |
低（通常為60％至70％） |
高（通常為95％） |
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控制方式 |
被動或有源運算放大器 |
PWM信號 |
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極性 |
與輸入電壓相同 |
可逆的 |
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縮放比例 |
降壓 |
升壓或降壓 |
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最高 電壓輸出 |
低 |
中到高 |
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PSRR |
寬帶，高達?70 dB（取決于頻率） |
?50至100 dB，取決于頻率 |
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噪聲 |
匹配輸入紋波的低頻噪聲 |
-由于PWM信號和開關而產(chǎn)生的10-1,000 kHz噪聲。 -輸出波紋。 |
下面的流程圖顯示了一種典型的功率調(diào)節(jié)策略，其中在電源轉(zhuǎn)換器的輸出上使用了LDO。開關轉(zhuǎn)換器將未穩(wěn)壓的輸入降壓并抑制低頻紋波。第二個開關轉(zhuǎn)換器將輸出剛好高于LDO裕量的電壓，并且LDO將輸出所需的電壓電平。
第二個穩(wěn)壓器上的反饋電路可以補償輸入電壓電平的任何上游變化。在這種情況下，當電壓輸出下降到選定電平以下時，反饋電路會增加第二個穩(wěn)壓器中的PWM占空比，從而補償穩(wěn)壓器輸出上的任何電壓下降。當非穩(wěn)壓電源可能來自電池，機電逆變器或其他輸入范圍較大的電源時，這種情況很常見。