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白皮書

迴歸基礎:選擇最佳穩壓器

穩壓器提供兩種功能:把輸入電壓變成不同的輸出電壓等級,以及穩壓(在負載條件變化的情況下,保持恆定的輸出電壓)。DC-DC 穩壓器是所有電源系統的關鍵組件,因此,如果要開發最佳解決方案,選擇正確的穩壓器至關重要。

雖然工程師瞭解穩壓器的功能性,但經驗不足的工程師經常發現,很難爲其應用確定最佳穩壓器。這篇博客文章確定了一些標準,任何沒啥經驗的電源開發人員都可將其用來爲他們選擇最佳穩壓器保駕護航。

降壓、升壓,還是升降壓穩壓器?

有三種基本類型:

  • 降壓穩壓器 — 輸出電壓低於輸入電壓的穩壓器
  • 升壓穩壓器 — 輸出電壓高於輸入電壓的穩壓器
  • 升降壓穩壓器 — 可提供比輸入電壓高、低或與之相同的輸出電壓

在大多數應用中,電壓從母線降至負載,因此通常使用降壓穩壓器。其它應用需要通過升壓穩壓器來提高電壓:例如,如果 DC 電源必須使用長線纜傳輸,則在傳輸前提高電壓,然後在負載位置再將其降低,可降低 I2R 損耗。在電池應用中,升降壓穩壓器通常用於提供恆定而穩定的電壓,解決電池充放電時輸出電壓的變化問題。

額定輸入輸出

許多系統都對輸入輸出電壓有明確的要求,例如,您可能需要將 12V 電壓降至 3.3V。對於許多應用而言,都將有一個合適的現成穩壓器來滿足電壓要求。

顯然,該穩壓器必須能夠提供負載所需的電源。穩壓器功率通常由最大輸出電流確定。

輸入輸出範圍

雖然應用通常需要特定的電壓,但其它應用則將需要可調節的輸出。這可能是因負載變化引起的,例如在一臺測試設備中,它也可能是一根長線纜提供的負載,而且該電壓需要微調得略高於負載所需的電壓,才能補償整個線纜的壓降。

輸入電壓範圍對於電池供電系統等應用尤爲重要。在汽車應用中,額定 12V 的電池在全面充電時可能會提供 12.5V 的電壓,而在電池放電時則可能會下降至 10V 以下。當電池電壓下降時,輸入範圍較窄的穩壓器可能不再起作用,這就意味着電池的整個容量都無法使用。因此,足夠寬的輸入範圍是選擇穩壓器的重要標準。

選擇寬輸入範圍穩壓器還有另一項優勢,那就是還可減少庫存成本,因爲一個穩壓器可用於各種不同的情況。

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效率

效率是當前所設計的大多數電源系統的標準之一。選擇高功耗穩壓器幾乎無法達到效率目標。還必須記住,穩壓器的效率不是恆定的:穩壓器的效率通常會隨降壓或升壓比的增加以及輸出流耗的減少,急劇下降。

現代穩壓器,如基於 Vicor 零電壓開關 (ZVS) 拓撲的穩壓器,都可提供固有的高效率,在整個工作範圍內一致性更高

噪聲

開關穩壓器提供高效率,但開關電路會產生噪聲。在一些系統中,特別是那些帶敏感模擬組件的系統中,電源噪聲會限制整體性能。此外,多餘的電子噪聲還會增加獲得 EMC 認證的難度。

與效率一樣,穩壓器的拓撲也是實現低噪聲的關鍵:使用不產生噪聲的組件比設法濾除噪聲要容易得多。例如,ZVS 是一種低噪聲與生俱來的軟開關拓撲,可簡化高性能系統的開發。

尺寸與封裝

今天的電子系統往往空間有限。即使目標不是最大限度縮小系統,如封裝在標準化 19 英寸機架單元中的產品,縮小電源系統尺寸,也可使用節省的空間增加額外的功能。

任何尺寸的計算都應該考慮到穩壓器所需的外設組件。有了更高的集成度和高開關頻率,就可縮減外設組件的尺寸和數量,與簡單地選擇一個採用更小封裝的穩壓器相比,這可能會節省更多空間。

所提供的封裝類型不能只決定所需的空間:較小的封裝通常可佈置在更靠近負載的地方,這不僅可在負載位置實現更準確的穩壓,而且還可加速瞬態響應。

除尺寸外,重量也是一個重要因素,特別是在設備可移動的應用中。這類系統的示例涵蓋從手持便攜式設備到汽車電子產品和無人機的各種應用。

工作溫度和熱性能

穩壓器不可能達到 100% 的效率,因此它們總是會散發必須散出的熱量。如果需要散熱片,這將顯著增加電源系統的尺寸和重量。無法散熱,也會在其它方面影響系統性能:例如,在照明或顯示應用中,如果穩壓器導致 LED 溫度升高,這將降低強度,改變波長,因此會改變所產生光的色度。

穩壓器必須在其暴露的溫度範圍內可靠工作。一般來說,穩壓器的效率越高,工作溫度就越高,因爲它們無需散發太多熱量,但不同供應商的產品可能差異很大,因此查看產品說明書很重要。

其它特性

除上述標準外,應用可能還需要一些特定的功能,這可能會限制選擇。這些其它特性的示例包括:

  • 並聯功能:如果穩壓器可以並聯,就可提供更大的輸出電流。並不是所有穩壓器都可以並聯其輸出,因爲對於許多拓撲而言,這將帶來不穩定性。
  • 恆流輸出:在電池應用中,需要爲負載提供恆定的電壓,但充電需要恆流。一些穩壓器提供的輸出可配置爲恆流和恆壓,因此它們是這些系統的理想選擇。
  • 軟啓動:能夠緩慢提高電壓,有助於確保電源系統穩定,即使大量電容連接至穩壓器輸出也沒問題。
  • 過壓保護:提供有保護,以確保它們不會提供超過已定義輸出電壓的穩壓器,可確保負載即使在發生故障時也不會損壞。如果輸入電壓超出範圍,其它保護電路可能會使該穩壓器失效。
  • 瞬態響應:一些負載會迅速改變它們所需的電流。快速瞬態響應確保穩壓器可提供所需的電源,無需使用大型輸出電容器儲能。

結論

雖然穩壓器在概念上是簡單的組件(它們在輸入端提取電壓並在輸出端提供不同的電壓),但有許多因素會爲應用確定最佳穩壓器。仔細考慮上面列出的標準,有助於確保爲您的系統挑選理想的穩壓器。

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