原创 switch regulator 和linear regulator的区别

很多有关电源的书籍在这方面都有详尽的论述。概括地讲，linear regulator 的调整管工作在线性状态，根据负载的变化情况来调节自身的内电阻从而稳定输出电压。它只能做降压转换，电路简单，噪声低，转换效率可以简单地看作输出与输入电压之比，一般用于低压差，小功率的场合。switch regulator调整管工作在开关状态，通过调节导通和关断的时间比例稳定输出电压，可灵活实现电压的大小和极性的不同转换。良好的设计可实现较高的转换效率，电路相对复杂，存在开关噪声。在linear regulator不适用的场合都可以应用。

switch 方式最主要的好處是效率(Po/Pi)的提升, 而且可以做升壓(boost), 降壓(buck), 升降壓(boost-buck). 而Linear regulator 效率低於switch, 由於輸出電壓小於輸入電壓. 目前Power supply 需求大功率(etc. 200W) 都是採用switch. 而小電流(mA)的就比較常見用regulator.

再補充一點:
switching regulator需要外加電感,電阻和電容,如果要提供超過500mA的情況,通常會比較建議採用外加Power MOSFET
如果是linear regulator,一般來說大都是on-chip build-in,所能提供的電流大都不會超過100mA(泛指在SOC),因為若要提供大電流,其POWER MOSFET的Size就要很大,而且會有current density的問題,如果要linear regulator且又要超過100mA,絕大部份是採用外接的BJT

補充一下在應用方面
由於ldo的noise較小,故常用在RF電路上

                            LDO                         switching converter
efficiency              poor                 Up to 95% and average about 90%
conversion ratio   step down only                 step down/up inverting
output ripple           small                            moderate
load capability        moderate                  Be able to above 500 mA
footprint area          small                             large

http://tech.digitimes.com.tw/print.aspx?zNotesDocId=338461225499436548256F47001F5D07

各種直接電源轉換技術之優劣比較

　在瞭解手持裝置內有哪些用電組件，以及有哪些可用的供電來源後，接著我們將來討論供電與用電間的電源轉換方式，而絕大多數都是DC/DC的直流間轉換，原因是AC/DC的交直流轉換多半在外部變壓器中轉換完成（透過橋式整流器、濾波電容），到裝置內已無需考慮此段過程。

　直流轉換主要分成兩種方式，即是線性調整（Linear Regulator）與切換式調整（Switch Regulator，亦稱：開關式、交換式），線性調整僅能用在降低輸出電壓，因此也稱線性降壓；而切換式調整則可以升壓（Boost）、降壓（Buck）、甚至反相（Invert，轉成負向電壓）。

　進一步的，切換調整又分成電容式切換與電感式切換，電容式切換多被另稱成Charge Pump（電荷泵、或稱電荷幫浦）；而一般若無特別指明，則提到切換式調整即是指電感式切換。

　從性質而言僅有上述的分類，但筆者發現各元件供應商會再進行更多的延伸區別，如Linear Regulator方面多出了一種LDO（Low Drop Out，低消散）類型，強調輸入電壓不需高出輸出電壓太多即可穩壓運作，但本質上依然是線性降壓，只是電氣表現上更為卓越。

　另外，Switch Regulator也在DC/DC Switch Controller外衍生出一種DC/DC Switch Converter，差別只在於把Controller外部搭配的三個離散元件：P FET、N FET、電感，其中P FET、N FET改成內建，但仍需要外接電感，此作法主要是讓設計時更方便、製造時更省空間，然也因為採內建式的FET切換開關，使轉換能力受到限制，多半低於Controller的供電力，而運作原理與特性皆與Controller相同。不過即便供電力較DC/DC Controller小，但對手持裝置而言卻都已足夠，所以手持裝置內幾乎都用DC/DC Converter，少見DC/DC Controller，且有助於減少機內空間的佔用。

　除了轉換、調整方式的不同，Linear Regulator、Charge Pump、Switch Regulator三者所轉換出的直流電源潔淨度、以及轉換效率等也各有不同，而電路的複雜度、組件的成本也有差別。

　以Linear而言，它的實現電路最為簡易，電源潔淨度最佳（少漣波Ripple、雜訊Noise、干擾EMI），但電源轉換率也最差，即是所有輸入電壓高出輸出電壓的準位統統以熱能方式消散，無法供輸出電路運用。且高功率型的Linear Regulator經常要外接散熱片，才能讓散熱加速，不過高功率型在手持裝置內使用的機會不多。

　至於Charge Pump，雖能夠升壓、降壓、反相，但多數的運用情況皆在升壓，Charge Pump的電源轉換率較Linear為高，但由於切換過程中只用上外接電容，未用及電感，使其轉換率仍不如電感式切換的Switch Regulator，且供電力也小於Switch Regulator，電源潔淨度未如Linear Regulator來得理想。

　而Switch Regulator方面，其電源轉換率最高，但電源潔淨度卻也最難掌控，實現上的電路佔用面積亦最大（涉及電感線圈的配置），為讓外接電感縮小，多半是將Switch Regulator的切換頻率拉高（達MHz以上），在實際運用上則是升壓、降壓、反相皆有可能。同時前述三者在組件價格上，也以Linear較廉，Charge Pump次之、Switch Regulator較高。（見表：直流電源調整、轉換方式比較表）

■因應各部件的用電特性，給予不同的供電方式

　對用電、供電等部件有所瞭解，以及對各種直接電源轉換的差異有所認知後，即可以進行各自的供電對應。

　在MPU上，至少需要兩種電壓：Vcore與Vmain（有時亦稱Vi/o），由於要求的電流較大，為了電源利用率通常會用DC/DC Converter，同時若有DVS/AVS的動態調壓需要，還必須使用能彈性輸出電壓準位的DC/DC Converter，通常是用外部電阻的分壓值來操作輸出電壓，或依循各MPU的省電規範來設計。

　在DRAM記憶體上，少量的記憶體仍可使用Linear Regulator來供電，並有低雜訊（Low Noise）、低消散（Low Drop Out）、高漣波拒斥比（PSSR）等要求，然記憶體容量大時耗電也會增加，屆時改用DC/DC Converter較為合適。

　至於顯示方面則較為複雜，特別是背光部分，STN、TFT需要背光，無論採用EL或CCFL，都需要進行偏壓（Bias）處理，將數伏特的電壓提升至十多伏以上，並要有反相電壓，理由是EL、CCFL需要交流驅動（如+15V～-10V）。不過，EL、CCFL驅動的電壓雖高，但電流耗用卻小（uA～數mA），因此使用Charge Pump進行升壓、反相來供電即可，不需使用供電力較大的DC/DC Converter。

　至於用LED充當Backlight，現在普遍是用白光發光二極體（White LED），許多業者已經推出專為驅動White LED的晶片，設計時可直接沿用，並且也可支援相機閃光燈所用的White LED。然而即便不使用驅動晶片，也不一定要進行升壓、降壓才能供電，直接將White LED進行串並聯組合即可，例如將White LED串接，用多個White LED的內阻來承受較高的供電電壓。比較特別的是，White LED的用電較EL、CCFL兇，每一個約要數mA以上才能驅動，因此建議從DC/DC Converter取得供電。

圖一：ZETEX半導體公司的DC/DC轉換器：ZXSC100，外部只需要再加裝一個電感、一個開關電晶體、一個蕭特基二極體、及電阻、電感元件，即可將1.2V的輸入電壓轉換成3.3V，及最高1A的輸出。（圖片來源：ZETEX）

圖二：若使用DC/DC Controller，則在進行切換式電源轉換時，外部依然要有P/N FET開關搭配，圖為多款ZETEX公司的表面黏著式P通道MOSFET。（圖片來源：ZETEX）