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白皮书

回归基础:选择最佳稳压器

稳压器提供两种功能:把输入电压变成不同的输出电压等级,以及稳压(在负载条件变化的情况下,保持恒定的输出电压)。DC-DC 稳压器是所有电源系统的关键组件,因此,如果要开发最佳解决方案,选择正确的稳压器至关重要。

虽然工程师了解稳压器的功能性,但经验不足的工程师经常发现,很难为其应用确定最佳稳压器。这篇博客文章确定了一些标准,任何没啥经验的电源开发人员都可将其用来为他们选择最佳稳压器保驾护航。

降压、升压,还是升降压稳压器?

有三种基本类型:

  • 降压稳压器 — 输出电压低于输入电压的稳压器
  • 升压稳压器 — 输出电压高于输入电压的稳压器
  • 升降压稳压器 — 可提供比输入电压高、低或与之相同的输出电压

在大多数应用中,电压从母线降至负载,因此通常使用降压稳压器。其它应用需要通过升压稳压器来提高电压:例如,如果 DC 电源必须使用长线缆传输,则在传输前提高电压,然后在负载位置再将其降低,可降低 I2R 损耗。在电池应用中,升降压稳压器通常用于提供恒定而稳定的电压,解决电池充放电时输出电压的变化问题。

额定输入输出

许多系统都对输入输出电压有明确的要求,例如,您可能需要将 12V 电压降至 3.3V。对于许多应用而言,都将有一个合适的现成稳压器来满足电压要求。

显然,该稳压器必须能够提供负载所需的电源。稳压器功率通常由最大输出电流确定。

输入输出范围

虽然应用通常需要特定的电压,但其它应用则将需要可调节的输出。这可能是因负载变化引起的,例如在一台测试设备中,它也可能是一根长线缆提供的负载,而且该电压需要微调得略高于负载所需的电压,才能补偿整个线缆的压降。

输入电压范围对于电池供电系统等应用尤为重要。在汽车应用中,额定 12V 的电池在全面充电时可能会提供 12.5V 的电压,而在电池放电时则可能会下降至 10V 以下。当电池电压下降时,输入范围较窄的稳压器可能不再起作用,这就意味着电池的整个容量都无法使用。因此,足够宽的输入范围是选择稳压器的重要标准。

选择宽输入范围稳压器还有另一项优势,那就是还可减少库存成本,因为一个稳压器可用于各种不同的情况。

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效率

效率是当前所设计的大多数电源系统的标准之一。选择高功耗稳压器几乎无法达到效率目标。还必须记住,稳压器的效率不是恒定的:稳压器的效率通常会随降压或升压比的增加以及输出流耗的减少,急剧下降。

现代稳压器,如基于 Vicor 零电压开关 (ZVS) 拓扑的稳压器,都可提供固有的高效率,在整个工作范围内一致性更高。

噪声

开关稳压器提供高效率,但开关电路会产生噪声。在一些系统中,特别是那些带敏感模拟组件的系统中,电源噪声会限制整体性能。此外,多余的电子噪声还会增加获得 EMC 认证的难度。

与效率一样,稳压器的拓扑也是实现低噪声的关键:使用不产生噪声的组件比设法滤除噪声要容易得多。例如,ZVS 是一种低噪声与生俱来的软开关拓扑,可简化高性能系统的开发。

尺寸与封装

今天的电子系统往往空间有限。即使目标不是最大限度缩小系统,如封装在标准化 19 英寸机架单元中的产品,缩小电源系统尺寸,也可使用节省的空间增加额外的功能。

任何尺寸的计算都应该考虑到稳压器所需的外设组件。有了更高的集成度和高开关频率,就可缩减外设组件的尺寸和数量,与简单地选择一个采用更小封装的稳压器相比,这可能会节省更多空间。

所提供的封装类型不能只决定所需的空间:较小的封装通常可布置在更靠近负载的地方,这不仅可在负载位置实现更准确的稳压,而且还可加速瞬态响应。

除尺寸外,重量也是一个重要因素,特别是在设备可移动的应用中。这类系统的示例涵盖从手持便携式设备到汽车电子产品和无人机的各种应用。

工作温度和热性能

稳压器不可能达到 100% 的效率,因此它们总是会散发必须散出的热量。如果需要散热片,这将显著增加电源系统的尺寸和重量。无法散热,也会在其它方面影响系统性能:例如,在照明或显示应用中,如果稳压器导致 LED 温度升高,这将降低强度,改变波长,因此会改变所产生光的色度。

稳压器必须在其暴露的温度范围内可靠工作。一般来说,稳压器的效率越高,工作温度就越高,因为它们无需散发太多热量,但不同供应商的产品可能差异很大,因此查看产品说明书很重要。

其它特性

除上述标准外,应用可能还需要一些特定的功能,这可能会限制选择。这些其它特性的示例包括:

  • 并联功能:如果稳压器可以并联,就可提供更大的输出电流。并不是所有稳压器都可以并联其输出,因为对于许多拓扑而言,这将带来不稳定性。
  • 恒流输出:在电池应用中,需要为负载提供恒定的电压,但充电需要恒流。一些稳压器提供的输出可配置为恒流和恒压,因此它们是这些系统的理想选择。
  • 软启动:能够缓慢提高电压,有助于确保电源系统稳定,即使大量电容连接至稳压器输出也没问题。
  • 过压保护:提供有保护,以确保它们不会提供超过已定义输出电压的稳压器,可确保负载即使在发生故障时也不会损坏。如果输入电压超出范围,其它保护电路可能会使该稳压器失效。
  • 瞬态响应:一些负载会迅速改变它们所需的电流。快速瞬态响应确保稳压器可提供所需的电源,无需使用大型输出电容器储能。

结论

虽然稳压器在概念上是简单的组件(它们在输入端提取电压并在输出端提供不同的电压),但有许多因素会为应用确定最佳稳压器。仔细考虑上面列出的标准,有助于确保为您的系统挑选理想的稳压器。

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