直流电压稳压器类型及直流电压稳压器工作原理

电压调节器是一种无论输入电压或负载条件如何变化都能产生并维持固定输出电压的电器。电压稳压器(AVR)将电源电压保持在与其他电气组件兼容的范围内。虽然稳压器最常用于对交流电源电压AC/AC稳压转换，但有些稳压器也可以执行DC/DC或AC/DC电源转换。本文将重点介绍DC/DC直流电压稳压器。

一、直流电压稳压器的分类：

直流电压稳压器的类型：线性与开关电压调节器主要有两种类型：线性调节器和开关调节器。这两种类型都可以调节系统电压，但线性稳压器的工作效率较低，而开关稳压器的工作效率较高。在高效开关稳压器中，大部分输入功率都会无耗散地传输到输出。

二、线性稳压器的特点：

线性稳压器采用有源传输器件（例如BJT或MOSFET），由高增益运算放大器控制。为了保持恒定的输出电压，线性稳压器通过将内部参考电压与采样输出电压进行比较来调整传输器件电阻，然后将误差驱动为零。

1．线性稳压器的作用：

线性稳压器是降压转换器，因此根据定义，输出电压始终低于输入电压。

2．线性稳压器的优点：

它们通常易于设计、可靠、经济高效，并且具有低噪声和低输出电压纹波。线性稳压器仅需要一个输入和输出电容器即可运行（见图1）。它们的简单性和可靠性使工程师能够使用直观且简单的设备，并且通常具有很高的成本效益。线性调节器

线性稳压器.jpg

三、开关稳压器的特点：

开关稳压器电路的设计通常比线性稳压器更复杂，并且需要选择外部元件值、调整控制环路以确保稳定性以及仔细的布局设计。

1．开关稳压器的作用：

开关稳压器可以是降压转换器、升压转换器或两者的组合，这使得它们比线性稳压器更通用。

2．关开稳压器的优点：

开关稳压器的优点包括效率高、热性能更好，并且可以支持更高的电流和更宽的VIN/VOUT应用。根据应用要求，它们可以实现超过95%的效率。与线性稳压器不同，开关电源系统可能需要额外的外部组件，例如电感器、电容器、FET或反馈电阻器。HF920是开关稳压器的一个示例，可提供高可靠性和高效的功率调节。

开关稳压器.jpg

四、稳压器的局限性：

1．线性稳压器：

线性稳压器的主要缺点之一是效率低下，因为它们在某些用例中会消耗大量功率。线性稳压器的电压降与电阻器两端的电压降相当。例如，对于5V输入电压和3V输出电压，端子之间存在2V压降，效率仅限于3V/5V(60%)。这意味着线性稳压器最适合具有较低VIN/VOUT差异的应用。在应用中考虑线性稳压器的估计功耗非常重要，因为使用较大的输入电压会导致高功耗，从而导致组件过热和损坏。

线性稳压器的另一个限制是它们只能进行降压（降压）转换，而开关稳压器还提供升压（升压）和升降压转换。

2．开关稳压器：

开关稳压器效率很高，但也有一些缺点，包括它们的成本效益通常低于线性稳压器、尺寸更大、更复杂，并且如果不仔细选择外部元件，会产生更多噪声。噪声对于给定应用非常重要，因为噪声会影响电路操作和性能以及EMI性能。

开关稳压器拓扑：降压、升压、线性、LDO和可调，线性和开关稳压器有多种拓扑。线性稳压器通常依赖低压差(LDO)拓扑。

对于开关稳压器，存在三种常见的拓扑：降压转换器、升压转换器和升降压转换器。每种拓扑结构描述如下：

3．LDO稳压器：

线性稳压器的一种流行拓扑是低压差(LDO)稳压器。线性稳压器通常要求输入电压至少比输出电压高2V。然而，LDO稳压器设计为在输入和输出端子之间的电压差非常小的情况下运行，有时低至100mV。

A．降压和升压转换器：

降压转换器（也称为降压转换器）采用较大的输入电压并产生较低的输出电压。相反，升压转换器（也称为升压转换器）采用较低的输入电压并产生较高的输出电压。

B．降压-升压转换器：

降压-升压转换器是一种单级转换器，结合了降压和升压转换器的功能，可在大于或小于输出电压的较宽输入电压范围内调节输出。

C．电压调节器控制：

线性稳压器的四个基本组件是传输晶体管、误差放大器、电压基准和电阻反馈网络。误差放大器的输入之一由两个电阻器（R1和R2）设置，以监控输出电压的百分比。

另一个输入是稳定参考电压(VREF)。如果采样的输出电压相对于VREF发生变化，误差放大器会改变传输晶体管的电阻以维持恒定的输出电压(VOUT)。

线性稳压器通常只需要外部输入和输出电容器即可运行，因此易于实现。

另一方面，开关稳压器需要更多元件来创建电路。功率级在VIN和接地之间切换以创建电荷包并输送到输出。

与线性稳压器类似，有一个运算放大器对来自反馈网络的直流输出电压进行采样，并将其与内部参考电压进行比较。然后误差信号被放大、补偿和滤波。该信号用于调制PWM占空比，以将输出拉回到调节状态。

例如，如果负载电流快速增加并导致输出电压下降，则控制环路会增加PWM占空比，以为负载提供更多电荷并使电源轨恢复调节。

D．线性和开关稳压器应用：

线性稳压器通常用于成本敏感、噪声敏感、低电流或空间受限的应用。一些示例包括消费电子产品，例如耳机、可穿戴设备和物联网(IoT)设备。例如，助听器等应用可以使用线性稳压器，因为它们没有可能产生不需要的噪声并干扰设备性能的开关元件。此外，如果设计人员主要对创建低成本应用感兴趣，则他们无需担心功耗，并且可以依赖线性稳压器。

E．开关稳压器有利于更通用的应用：

开关稳压器尤其适用于需要效率和性能的应用，例如消费类、工业、企业和汽车应用。例如，如果应用需要大型降压解决方案，则开关稳压器更适合，因为线性稳压器可能会产生高功耗，从而损坏其他电气组件。

降压稳压器.jpg