原创 有关线性稳压电源和开关电源

      在电子电路中，通常都需要电压稳定的直流电压，即直流稳压电源。小功率的直流稳压电源通常由电源变压器，整流，滤波和稳压电路组成。另一种场合是我们需要从一个稳定的“高”电压得到一个稳定的“低”电压，这是经常说的DC-DC(直流-直流)。稳压电路中用得最多的有两种，线性稳压电源和开关电源。

      线性稳压电源和开关电源最大的区别是线性稳压电源中的调整管(无论是双极型还是MOSFET)工作于线性放大区，因此在负载电路电流较大时，调整管的集电极损耗相当大，电源效率较低。而开关电源中调整管工作于开关状态，即调整管主要工作在饱和导通和截止状态，这种电路，管耗主要发生在工作状态开与关的转换期间，因而电源效率可以提高到75％～90%。线性稳压电源和开关电源也因如上所述而得名。

      （1）线性稳压电源

      线性稳压电源的调整管工作在线性状态，可以理解为电路中与负载串联的电阻（实际是一个调整管）是线性可调（连续可变的），这个调整管通过检测输出电压的大小，来控制其“导通电阻”的大小，使输出电压保持稳定，以此来达到稳压的目的，仔细观察线性稳压电路的结构就可以看出这一点。由于调整管相当于一个电阻，电流流过电阻时会发热，所以工作在线性状态下的调整管，一般会产生大量的热，导致效率不高，制作电路时也常要给稳压芯片装上扇热片，这是线性稳压电源的一个最主要的缺点。其工作原理也决定了线性稳压器都是降压型的，而且，稳压器上的压降越大，负载电流越大，线性稳压器上的功耗就越大。计算公式如下：

Pwaste =(VIN－VOUT) IOUT

      总体上说，线性稳压直流电源的特点有：输出电压比输入电压低；反应速度快，输出纹波较小；工作产生的噪声低；效率较低(现在经常看的LDO就是为了解决效率问题而出现的)；发热量大（尤其是大功率电源），间接地给系统增加热噪声。

      LDO是low dropout regulator，意为低压差线性稳压器（最小压降0.5V以下），是相对于传统的线性稳压器来说的。传统的线性稳压器，如78xx系列的芯片都要求输入电压要比输出电压高出2v~3V以上，否则就不能正常工作。但是在一些情况下，这样的条件显然是太苛刻了，如5v转3.3v,输入与输出的压差只有1.7v，显然是不满足条件的。针对这种情况，才有了LDO类的电源转换芯片。

      LDO 线性稳压器能够实现这些特性的主要原因在于内部调整管采用了P沟道场效应管（或N沟道MOS管），而不是通常线性稳压器中的PNP晶体管。P沟道的场效应管不需要基极电流驱动，所以大大降低了器件本身的静态电流；另一方面，在采用PNP管的结构中，为了防止PNP 晶体管进入饱和状态降低输出能力，必须保证较大的输入输出压差；而P 沟道场效应管的压差大致等于输出电流与其导通电阻的乘积，极小的导通电阻使其压差非常低。当系统中输入电压和输出电压接近时， LDO 是最好的选择，可达到很高的效率。所以在将锂离子电池电压转换为3V 电压的应用中大多选LDO，尽管电池最后放电能量的百分之十没有使用，但是LDO 仍然能够在低噪声结构中提供较长的电池寿命。应当说明，实际的线性稳压器还应当具有许多其它的功能，比如负载短路保护、过压关断、过热关断、反接保护等，而且串联调整管也可以采用MOSFET。LDO效率较高，压差低，但在使用时也一定要注意其最大允许功率耗散，否则使用过程芯片也是很容易发烫甚至烧掉的。

      常用的线性稳压电源芯片有：78XX系列，79XX系列，LM317，LM337，1117系列。

      （2）开关电源

      DC to DC电源是开关电源的另称，主要有升压（Boost），降压(Buck)和反向(Buck-Boost/Inverting)三种拓扑结构，具有高效率，高输出电流，低静态电流等特点等随着集成度的提高，许多新型DC-DC 转换器的外围电路仅需电感和滤波电容；但由于该类电路工作在开关状态其电源控制器的输出纹波和开关噪声较大、成本相对较高。现在电脑的ATX电源、笔记本电脑电源适配器都是开关电源的实例。

      开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。开关电源的工作过程相当容易理解，在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式，与线形电源不同的是，PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态，在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）/功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。

      开关电源电路中，电源芯片的工作频率高，发热小，效率高。同样的，还是芯片的巨头，MAXIM，KINEAR和TI等公司在电源转换芯片上最为卓越，无论从产品种类还是质量都是上佳的，如MAXIM的产品树中给出了复杂的选择。

      常见的用于开关电源的芯片有：TL494，LM2575，LM2596，LM2673，MAX637，MAX724，TPS5420，LTC1772，LTC1871，34063，541414等。

      我用过的是TI的TPS5420，5.5V-36V,2A,500kHZ降压转换器，可构成Buck降压电路，Invert反压电路。其中Buck电路降压原理如下图所示

有关其工作原理的分析过程，可参照康华光主编的模电教科书。

      另一种是LM2575系列，很多公司都有生产，在市面上较TPS的芯片较容易买到。该系列分为LM1575、LM2575及LM2575HV三个系列，其中LM1575为军品级产品，LM2575为标准 电压产品，LM2575HV为高电压输入产品。每一种产品系列均提供3.3V、5V、12V、15V及可调（ADJ）等多个电压档次产品。最大输出电流为1A（LM2576系列最大输出电流能达到3A）。其内部结构与应用电路如下，可详见数据手册。