線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器如何選用

電子產(chǎn)品離不開電源電路，元器件需要的電壓/電流/紋波要求，板子上可能有多組不同的供電，選用什么樣的變換方式需要考慮到多種因素。首先我們看一下幾種常用的外接供電方式：

**外接交流電 ** ： 比如中國國標(biāo)的220V AC，美國的110 AC，電子產(chǎn)品內(nèi)部需要AC變DC的電路（一般是獨立的變換電路板）變成產(chǎn)品中各個器件用的低壓，當(dāng)然也有外部的“變壓器”將220V按照一定的變比變成低壓的AC，比如9VAC，這種變壓器跟2中的“適配器”很像，但內(nèi)部只有變壓器，沒有整流、濾波、穩(wěn)壓的功能，這種設(shè)計主要是出于系統(tǒng)整體成本的要求；

外接DC適配器 ：常用的是-48V、24V、12V、9V、5V等，一般是通過一種被稱作“適配器（Adaptor）”的黑黑（現(xiàn)在各種顏色的都有了）的家伙，將AC轉(zhuǎn)變?yōu)镈C。技術(shù)的進步可以通過開關(guān)穩(wěn)壓的方式將比較寬范圍的輸入交流變成穩(wěn)定的直流，開關(guān)變換也比較容易獲得小的體積。比較常用的就是筆記本的電源變換器、手機充電器等，它們的輸出都是低壓直流。隨著USB端口的無處不在，USB不再只是數(shù)據(jù)的傳輸，更多的是用其端口進行供電。目前家庭的插座上越來越多地將USB（5V直流）充電口作為了標(biāo)配。

電池供電： 各種各樣的電池和多個電池的組合，多數(shù)系統(tǒng)需要對電池充電，隨后讓電池供電，或者充放電同時進行。

電路板上通過穩(wěn)壓電路為板上的各個器件產(chǎn)生需要的電壓，主要的穩(wěn)壓變換方式有兩種：

線性穩(wěn)壓 - Linear Regulator

開關(guān)穩(wěn)壓 - Switching Regulator 也叫SMPS（switching mode power supply）

線性穩(wěn)壓器最經(jīng)典的就是78xx系列，典型的封裝為TO-220，只有三個腿，只需要外接倆電容：輸入端電容和輸出端電容。

從原理上看，可以把線性穩(wěn)壓器看成是一個可變的串行電阻，通過改變其電阻值保證輸出端的電壓穩(wěn)定。核心的器件三極管工作于線性模式。

線性穩(wěn)壓器的工作原理

常規(guī)線性穩(wěn)壓器的構(gòu)成

線性穩(wěn)壓器的優(yōu)點：

使用簡單 - 一般來講3個器件就能搞定；

便宜 - 有幾十年歷史的器件

輸出端比較干凈 - 低噪聲、低紋波、工作于非常寬頻帶，沒有EMI的問題，在對噪聲敏感的模擬電路、通信電路供電系統(tǒng)中，一般會選用線性穩(wěn)壓器來保證好的性能；

響應(yīng)快速

當(dāng)然線性穩(wěn)壓器的缺點也很明顯：

輸入電壓和輸出電壓之間必須要保證一定的壓差（常規(guī)的穩(wěn)壓器一般在2V以上，LDO需要的比較低）才能正常穩(wěn)壓，要讓7805工作，其輸入端的電壓至少要達到7V才行；

效率為輸出電壓/輸入電壓，當(dāng)輸入電壓與輸出電壓的差越大，則效率越低，而損失的效率都以熱的方式通過穩(wěn)壓器本身消耗掉了。比如12V輸入/5V輸出的場景，效率只有5/12 ～ 41.6%，而58%的能量都被無謂的消耗掉，且發(fā)出的熱量對板子上的其它器件的穩(wěn)定工作帶來威脅；

只能用于降壓，無法用于升壓和反壓。

LDO：

LDO線性穩(wěn)壓器的構(gòu)成

LDO是線性穩(wěn)壓器的一種，只是輸入端和輸出端需要的壓差較小，在小電流的情況下（比如150mA）壓差可以到低到50mV。設(shè)想一下用LDO產(chǎn)生3.3V的直流電壓，在電路150mA的情況下，其輸入端只需要3.35V就可以正常工作，其效率可以高達98%，因此說線性穩(wěn)壓效率一定低這個結(jié)論是錯誤的，不能生搬硬套道聽途說的結(jié)論。

另一個理解上的誤區(qū)就是覺得LDO會比常規(guī)的線性穩(wěn)壓器的轉(zhuǎn)換效率高，如果輸入電壓和輸出電壓都是一樣的情況下，使用78xx的器件和使用LDO的器件，其效率沒有本質(zhì)的區(qū)別，反而由于LDO，流通到GND管腳的電流較大而效率略低一點。

LDO非常適合電池供電的場景，因為在很小的壓差下也可以正常工作，而常規(guī)的線性穩(wěn)壓器適合于交流供電的場景，可以通過改變變壓器的變比得到78xx需要的輸入電壓的要求，且能夠達到較高的功率要求，比如10A。

開關(guān)穩(wěn)壓電源：

開關(guān)穩(wěn)壓器主要由工作于開關(guān)狀態(tài)的三極管（或MOS管）+儲能的電感或電容構(gòu)成：

工作于開關(guān)模式的 三極管 ：On的時候?qū)﹄姼谐潆姡潆娮銐虻臅r候開關(guān)關(guān)閉，電感線圈將能量以電流的方式往負載供電，輸出電容同電感一起保證電壓的穩(wěn)定。理論上當(dāng)三極管處于On的時候其沒有壓降，處于Off的時候沒有電流通過，所以可以達到比較高的轉(zhuǎn)換效率。但實際上其還是有壓降和電流通過的，并且還有其它器件上的損耗；

電感 ：電流流入的時候通過磁場存儲能量，它不喜歡電流的變化，會盡力保持電流為常數(shù)而達到平滑電流的作用；

電容 ：可以看作為電壓濾波器，它不喜歡電壓的變化，用其存儲的能量來保持電壓為常數(shù)。

開關(guān)穩(wěn)壓器的工作原理示意圖

開關(guān)穩(wěn)壓器的優(yōu)點：

效率比較高，相對比常規(guī)的線性穩(wěn)壓器，一般來講其效率是比較高的，但也會有一些由于器件的非理想化帶來一些損耗，結(jié)合上面LDO的例子，在一個實際的系統(tǒng)中開關(guān)穩(wěn)壓器效率是否一定高于LDO，需要根據(jù)實際的電壓、電流情況來分析，選用；

輸入電壓范圍較寬 - 全球跑到任何地方都能用的筆記本電源適配器、刮胡刀、手機充電器等等都是用開關(guān)穩(wěn)壓的方式實現(xiàn)的，線性穩(wěn)壓器在這種需求下無能為力；

同等功率下，尤其是大功率，開關(guān)穩(wěn)壓器的體積可以做的較小，這得益于開關(guān)工作頻率的提高，有的高達幾MHz，器件體積可以變得很小。

開關(guān)穩(wěn)壓器的缺點：

相對于三件套的線性穩(wěn)壓器，開關(guān)穩(wěn)壓器需要的元器件比較多，有的器件相對還比較大，比如線圈、電容；

高頻的開關(guān)噪聲比較大，元器件的布局比較關(guān)鍵，實現(xiàn)系統(tǒng)需要的低噪聲是非常具有挑戰(zhàn)的；

元器件的選用也非常關(guān)鍵，比如MOS管、儲能電感、平滑電容等

開關(guān)穩(wěn)壓器也有不同的類型，根據(jù)輸入電壓和輸出電壓的關(guān)系分：

Buck型 - 降壓

Boost型 - 升壓

Buck+Boost - 既可以升壓也可以降壓

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