直流穩(wěn)壓器件的發(fā)展演化和選用

袁惠娟+魯天翱+秦逸平

【摘 要】本文圍繞直流電源的發(fā)展過程，對(duì)各階段的直流穩(wěn)壓器件性能進(jìn)行分析與探討，著重指出了各類穩(wěn)壓器件的優(yōu)缺點(diǎn)，為設(shè)計(jì)或選用直流穩(wěn)壓電源方案提供一定的參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】直流穩(wěn)壓器件；發(fā)展演化；性能分析

隨著科技的發(fā)展，電子產(chǎn)品已成為人們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ鞯谋仨毱?，如手機(jī)、電腦、相機(jī)等等，電子產(chǎn)品正常工作通常需要直流電壓源供電，而直流電壓源往往存在工作過程中供電電壓波動(dòng)變化或負(fù)載發(fā)生變化時(shí)導(dǎo)致電壓不穩(wěn)定情況發(fā)生，因而直流穩(wěn)壓器應(yīng)運(yùn)而生。隨著電子器件向小型化、低功耗化、片式化方向開發(fā)，新一代集成芯片工作電壓越來越低；另外一個(gè)產(chǎn)品出現(xiàn)不同單元需要不同直流電壓供電要求，因此直流電壓器件的發(fā)展也是日新月異。

直流穩(wěn)壓器件的發(fā)展歷程大致可分為：分立線性穩(wěn)壓器→集成線性穩(wěn)壓電源（包括LDO低功耗穩(wěn)壓電源）→PWM開關(guān)電源（有用于手機(jī)充電器，筆記本電源選配器的AC-DC穩(wěn)壓電源；儀器、設(shè)備內(nèi)部轉(zhuǎn)換電源的DC-DC穩(wěn)壓電源；降壓型、升壓型、負(fù)壓型等穩(wěn)壓電源）→諧振式開關(guān)電源（有電壓諧振式、電流諧振式）→PFC穩(wěn)壓電源（也稱為綠色電源）。

完整的線性穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路組成，穩(wěn)壓電路中所使用的直流穩(wěn)壓器，其起調(diào)節(jié)輸出電壓作用的調(diào)整管工作在線性區(qū)域，故被稱為線性穩(wěn)壓器，此類器件使用簡(jiǎn)單便捷，成本低廉，因而被廣泛使用。早期的線性穩(wěn)壓器件輸入輸出壓差不能低于3V，以一個(gè)5V輸出的直流穩(wěn)壓器W7805為例，若使其能滿負(fù)載正常工作，其最低輸入電壓須為8V；如果輸入電壓提高到10V，輸出電壓5V，則自身壓降為5V，此時(shí)有工作電流輸出時(shí)，其自身功率耗散和輸出功率各占一半，穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換效率為50%；如果把輸入電壓提高至20V，穩(wěn)壓器上輸入輸出壓差（即管壓降）為15V，轉(zhuǎn)換效率僅為25%，這不僅對(duì)電能產(chǎn)生了極大無謂浪費(fèi)，更會(huì)導(dǎo)致器件工作溫度過高進(jìn)而造成的工作不穩(wěn)定和可能的損傷，以及額外增加散熱措施等帶來的諸多麻煩。

為了解決固有的自身功耗大，轉(zhuǎn)換效率低的難題，線性直流穩(wěn)壓器研制出了低壓差穩(wěn)壓器件，簡(jiǎn)稱LDO，早期的代表品種L1086系列穩(wěn)壓器，正常工作時(shí)輸入輸出最低壓差只有1.5V，美國(guó)麥瑞公司最新生產(chǎn)的L2900系列產(chǎn)品，其最低輸入輸出電壓差僅為0.3V，是傳統(tǒng)穩(wěn)壓器要求的十分之一，在此條件下工作不僅提高了電源的利用率，還有效降低了器件自身發(fā)熱，提高工作穩(wěn)定性。

有別于傳統(tǒng)穩(wěn)壓器較高的固定輸出電壓，LDO穩(wěn)壓器輸出電壓基本上從5V開始梯次下降，較為常見的固定輸出為3.3V、2.8V、2.5V等，這是滿足現(xiàn)在集成電路向低電壓低功耗方向發(fā)展趨勢(shì)。與普通穩(wěn)壓器相比，其劣勢(shì)有二，一是為發(fā)揮低壓差優(yōu)勢(shì)，對(duì)輸入電壓有比較精細(xì)要求，限制了寬電壓變化輸入使用場(chǎng)合；二是其較高的產(chǎn)品價(jià)格影響其更多低端場(chǎng)合的普及應(yīng)用。

早期的開關(guān)電源控制芯片是不含開關(guān)電源管理器的，如TL494系列，這對(duì)整機(jī)PCB設(shè)計(jì)和EMC設(shè)計(jì)帶來不便；目前的電源管理器是將脈寬調(diào)制器與開關(guān)管集成在一起組成模塊，其特點(diǎn)是體積小，電壓、電流調(diào)整率好；它們分為兩類，一類是輸入輸出不隔離DC-DC型的，如MC34063A，突出優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換效率高達(dá)85%以上，能在數(shù)安培的電流下工作而不產(chǎn)生發(fā)熱，大大提升工作條件的適應(yīng)性；另一類如TOP256Y是單端反激式（簡(jiǎn)稱RCC）AC-DC型開關(guān)電源，常用于市電輸入的隔離型電源輸出，電源初級(jí)熱地和電源輸出冷地靠開關(guān)變壓器或光電耦合器隔離，保證電源輸出端對(duì)人身的安全，如電視機(jī)電源、電動(dòng)車充電器等。

模塊化DC/DC電源變換器自問世以來，隨著電路模式的升級(jí)換代，在單位功率密度上和轉(zhuǎn)換效率上迅速提高；如LM2596S、XL6009、MT3608等，模塊外形尺寸從全磚、半磚、1/4磚向板級(jí)小型化發(fā)展，小尺寸的DC/DC電源模塊能做到1英寸見方、半英寸見方甚至更小，完全實(shí)現(xiàn)PCB板上靈活使用；其工作頻率從早期的幾百KHz提高到上MHz，內(nèi)部元件的不斷優(yōu)化和零電壓、零電流技術(shù)到目前的同步整流技術(shù)的應(yīng)用，效率也從早期的60%左右提升到現(xiàn)在的90%以上。與直流穩(wěn)壓器比具有：一、輸入電壓寬范圍下保持高轉(zhuǎn)換效率基本不變；二、可以做到升壓輸出；三、內(nèi)部的電氣隔離設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了輸入輸出電壓隔離。這些特點(diǎn)使其在高電壓輸入、大電流工作下為多系統(tǒng)同時(shí)供電需進(jìn)行電氣隔離條件時(shí)，完成直流穩(wěn)壓器無法勝任的工作，因而使用越來越廣泛。

DC/DC電源模塊有一個(gè)自身無法克服的缺點(diǎn)，即模塊內(nèi)部產(chǎn)生的紋波干擾。因?yàn)殚_關(guān)電源的開關(guān)管工作時(shí)脈沖的上下沿產(chǎn)生的干擾紋波在模塊內(nèi)部無法采取措施徹底消除，因而DC/DC電源模塊使用時(shí)會(huì)在輸入輸出端都產(chǎn)生較大干擾紋波，影響用電單元正常工作，還會(huì)干擾主電源回路，因此使用中必要時(shí)需與EMI濾波器配合使用，但這會(huì)增加電路體積和使用成本。

為克服開關(guān)電壓在應(yīng)用過程中造成對(duì)電網(wǎng)電磁污染和電源利用率不高，又研制出了具有功率因素校正電路（Power Factor Correction，PFC）功能的開關(guān)穩(wěn)壓電源。如帶有源PFC功能的液晶電視輸出+24V的開關(guān)電源，輸入交流電壓AC220V經(jīng)過整流后約得到+310V的脈動(dòng)直流電壓Vc，在Vc和開關(guān)管漏極Vd之間接入一個(gè)功率因素校正電感L1，例如可由SG6961控制電感L1中的儲(chǔ)能以升壓的方式疊加到電源線Vd上，不僅使電源線上的電壓升高到約+400V，而且使得流過L1輸入端的電流波形和輸入電壓的波形趨于一致，從而達(dá)到提高功率因數(shù)的目的。

上面對(duì)各類器件級(jí)的直流電壓穩(wěn)壓器進(jìn)行介紹，根據(jù)其不同特點(diǎn)指出應(yīng)用時(shí)各自適用的場(chǎng)合，具體使用時(shí)還應(yīng)根據(jù)具體電氣要求進(jìn)一步判斷設(shè)計(jì)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]“高效率低電磁污染的Boost APFC開關(guān)電源的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究”李華樂《江蘇大學(xué)》碩士學(xué)位論文，2006.11.

[2]“開關(guān)穩(wěn)壓電源的原理及發(fā)展”熊文靜鄭耀林黃傳明《儀器儀表用戶》 2007.04.

[3]“開關(guān)電源原理與應(yīng)用分析”楊江坤麻銀金《科技風(fēng)》2017.03.

[責(zé)任編輯：張濤]endprint