線性穩(wěn)壓電源與開關(guān)模式電源

ID:988595 · 發(fā)表于 2022-4-7 10:37

電源時(shí)間：您的下一個(gè)電子項(xiàng)目是否需要線性穩(wěn)壓或開關(guān)電源？
日常電子設(shè)備，特別是那些帶有集成電路的設(shè)備，需要一個(gè)可靠的直流電壓源，可以始終供電而不會(huì)出現(xiàn)任何打嗝。在這篇博客中，我們將介紹兩種電源設(shè)計(jì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，供您在下一個(gè)項(xiàng)目中考慮，即線性穩(wěn)壓和開關(guān)電源。您選擇的電源最終取決于您對效率、空間、輸出調(diào)節(jié)、瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間和成本的要求。

線性穩(wěn)壓電源

直到20世紀(jì)70年代，線性穩(wěn)壓器一直是將交流電（AC）轉(zhuǎn)換為電子設(shè)備穩(wěn)定直流電（DC）的首選電源。雖然這種電源類型在今天并不普遍使用，但它仍然是需要最小噪聲和紋波的應(yīng)用的最佳選擇。

它們可能體積龐大，但是無噪聲的

它們是如何工作的
允許線性穩(wěn)壓器發(fā)揮作用的主要部件是鋼或鐵變壓器。此轉(zhuǎn)換器提供兩個(gè)功能：

它充當(dāng)屏障，將高壓交流輸入與低壓直流輸入分開，從而過濾掉進(jìn)入輸出電壓的任何噪聲。
它將交流輸入從115V/230V降至約30V，然后可轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電壓。

交流電壓首先由變壓器降低，然后由幾個(gè)二極管整流。然后通過一對大型電解電容器將其平滑成低直流電壓。然后，使用晶體管或集成電路將這種低直流電壓調(diào)節(jié)為穩(wěn)定的輸出電壓。

這是一個(gè)帶有線性穩(wěn)壓器的電源

線性電源中的穩(wěn)壓器充當(dāng)可變電阻器。這允許輸出電阻值發(fā)生變化，以匹配輸出功率要求。由于穩(wěn)壓器不斷抵抗電流以保持電壓，因此它也充當(dāng)功率耗散裝置。這意味著有用的功率不斷以熱量的形式損失，以保持電壓電平恒定。

變壓器已經(jīng)是印刷電路板（PCB）上的一個(gè)大型組件。由于恒定的功率和散熱，線性穩(wěn)壓器電源將需要散熱器。與開關(guān)電源的小尺寸相比，僅這兩個(gè)組件就增加了非常笨重和笨重的設(shè)備。

首選應(yīng)用

線性穩(wěn)壓器以其效率低和尺寸大而聞名，但它們確實(shí)提供無噪聲輸出電壓。這使得它們非常適合任何需要高頻和低噪聲的器件，例如：

控制電路
低噪聲放大器
信號處理器
自動(dòng)化和實(shí)驗(yàn)室測試設(shè)備
數(shù)據(jù)采集傳感器和電路

優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

可能體積龐大且效率低下，但其低噪聲非常適合噪聲敏感型應(yīng)用。此拓?fù)湫枰紤]的一些優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)包括：
優(yōu)勢

簡單的應(yīng)用程序。線性穩(wěn)壓器可以作為整個(gè)封裝實(shí)現(xiàn)，并添加到一個(gè)電路中，只需兩個(gè)額外的濾波電容。這使得任何技能水平的工程師都可以輕松地從頭開始規(guī)劃和設(shè)計(jì)。
低成本。如果您的設(shè)備需要的功率輸出小于10W，則與開關(guān)電源相比，組件和制造成本要低得多。
低噪聲/紋波。線性穩(wěn)壓器具有非常低的輸出電壓紋波和高帶寬。這使得它們成為任何噪聲敏感型應(yīng)用的理想選擇，包括通信和無線電設(shè)備。
劣勢

靈活性有限。線性穩(wěn)壓器只能用于降壓電壓。對于AC-DC電源，需要在線性電源之前放置具有整流和濾波功能的變壓器，這將增加總體成本和工作量。
有限的輸出。線性穩(wěn)壓電源僅提供一個(gè)輸出電壓。如果您需要更多，則需要為每個(gè)所需的輸出添加一個(gè)單獨(dú)的線性穩(wěn)壓器。
效率差。由于散熱，平均線性穩(wěn)壓器件的效率在30%-60%之間。它還需要添加散熱器，這增加了設(shè)備的尺寸和重量。
在當(dāng)今節(jié)能設(shè)備的時(shí)代，線性穩(wěn)壓電源的不良效率等級可能是一個(gè)交易殺手。對于24V輸出，一個(gè)普通的電源將以約 60% 的效率工作。當(dāng)您考慮100W輸入時(shí)，您看到的是40W的功率損失。
在考慮使用之前，我們強(qiáng)烈建議您考慮從輸入到輸出的功率損耗。您可以使用以下公式快速估算效率：

開關(guān)模式電源
開關(guān)電源于20世紀(jì)70年代推出，并迅速成為向電子設(shè)備提供直流電源的最流行方式。是什么讓它們?nèi)绱藗ゴ�？與線性穩(wěn)壓器相比，其高效率和高性能尤為突出。

您的典型交流適配器包括一個(gè)開關(guān)模式電源

它們是如何工作的
開關(guān)模式電源通過脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)節(jié)輸出電壓。該過程會(huì)產(chǎn)生高頻噪聲，但它在小尺寸內(nèi)提供了高效率額定值。當(dāng)插入交流電源時(shí)，115V或230VAC首先由一組二極管和電容器進(jìn)行整流和平滑，從而提供高壓直流電。然后使用一個(gè)小型鐵氧體變壓器和一組晶體管降低該高直流電壓。降壓過程仍保持200kHz至500kHz之間的高開關(guān)頻率。
低直流電壓最終通過另一組二極管、電容器和電感器轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流輸出。保持輸出電壓一致所需的任何調(diào)節(jié)都通過調(diào)整高頻波形的脈沖寬度來處理。該調(diào)節(jié)過程通過反饋電路工作，該反饋電路持續(xù)監(jiān)控輸出電壓并根據(jù)需要控制PWM信號的開關(guān)比。

這是一個(gè)開關(guān)模式電源，其部件比線性穩(wěn)壓多一噸

首選應(yīng)用

您最常會(huì)發(fā)現(xiàn)開關(guān)電源用于電池壽命和溫度很重要的應(yīng)用，例如：

電解、廢物處理或燃料電池應(yīng)用
直流電機(jī)、槽車、航空和船舶應(yīng)用
研發(fā)、制造和測試設(shè)備
用于航空和車輛的鋰離子電池的電池充電
電鍍、陽極氧化和電鑄工藝

優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

開關(guān)電源可能比線性穩(wěn)壓器具有更高的效率，但其噪聲使其成為無線電和通信應(yīng)用的不良選擇。此拓?fù)湫枰紤]的一些優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)包括：
優(yōu)勢

外形小巧。SMPS中的降壓變壓器以高頻率工作，從而減小了其體積和重量。這使得開關(guān)電源的外形尺寸比線性穩(wěn)壓器小得多。
高效率。開關(guān)電源中的電壓調(diào)節(jié)在不耗散過多熱量的情況下進(jìn)行。SMPS效率可高達(dá)85%-90%。
靈活的應(yīng)用�？梢栽陂_關(guān)電源中增加額外的繞組，以提供多個(gè)輸出電壓。變壓器隔離的SMPS還可以提供與輸入電壓無關(guān)的輸出電壓。

劣勢
復(fù)雜的設(shè)計(jì)。與線性穩(wěn)壓器相比，規(guī)劃和設(shè)計(jì)開關(guān)電源通常由電源專家負(fù)責(zé)。如果您打算在沒有仔細(xì)研究或經(jīng)驗(yàn)的情況下設(shè)計(jì)自己的電源，這不是最好的選擇電源。
高頻噪聲。MOSFET在開關(guān)電源內(nèi)的開關(guān)操作在輸出電壓中提供高頻噪聲。這通常需要在噪聲敏感型器件中使用RF屏蔽和EMI濾波器。
成本更高。對于10W或更低的功率輸出，使用線性的IC更便宜。
開關(guān)電源將繼續(xù)存在，是噪聲不敏感應(yīng)用的首選電源。這包括手機(jī)充電器、直流電機(jī)等設(shè)備。

線性穩(wěn)壓器與SMPS的比較
現(xiàn)在，我們將看一下并排比較線性和開關(guān)電源之間的最終比較。您需要考慮的一些最重要的要求，包括尺寸/重量、輸入電壓范圍、效率額定值和噪聲水平等因素。

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線性穩(wěn)壓電源與開關(guān)模式電源