【導讀】在高效率非常重要的場(chǎng)合，開(kāi)關(guān)穩壓器是電壓調節的理想選擇。但是，開(kāi)關(guān)穩壓器仍然會(huì )消耗一些能量，而且開(kāi)關(guān)噪聲可能是一個(gè)挑戰。利用 Analog Device 的直通特性，用戶(hù)可以實(shí)現效率的顯著(zhù)提升和無(wú)噪聲運行。負載對電壓波動(dòng)的承受能力越強，潛在效益越大。
向 24 V 直流 (DC) 電機提供輸入電壓的一種方法是將標稱(chēng) 24 V 電源連接到其端子，再扳動(dòng)開(kāi)關(guān)接通電源。電機將會(huì )運轉良好。但是，標稱(chēng)電壓電源的問(wèn)題在于電壓會(huì )波動(dòng)，例如，它可能上升到 38 V 或下降到 15 V。雖然這種電壓波動(dòng)可能不會(huì )損壞像直流電機這樣相對穩健的設備，但肯定會(huì )影響其性能。對于敏感的汽車(chē)、航空電子或電信應用而言，情況就不同了。在這些及其他許多產(chǎn)品中，欠壓或過(guò)壓可能會(huì )造成永久性損壞。
如果輸入電源不符合直流電機的要求，還會(huì )帶來(lái)進(jìn)一步的挑戰。例如，常見(jiàn)的直流電源電壓是 48 V。如果將這種電源直接連接到 24 V 電機，后果會(huì )很?chē)乐亍?br style="padding: 0px; margin: 0px auto;"/>
直流穩壓器提供了一種簡(jiǎn)單的解決方案。顧名思義，該器件在變化的輸入（一定閾值內）下可保持精密調節的穩壓輸出。因此，即使輸入在 38 V 到 15 V 之間變化，穩壓器也能提供穩定的 24 V 輸出，上下波動(dòng)幅度只有幾個(gè)百分點(diǎn)。穩壓器也能輕松提供與輸入電壓不同的輸出電壓，因此我們可以安全地利用 48 V 電源為 24 V 電機供電。
電壓調節的功耗
電壓調節的商用方案有很多。最簡(jiǎn)單的是低壓差 (LDO) 線(xiàn)性穩壓器。LDO 易于導入設計中，所需的外部元器件很少；此外，LDO 相對便宜且結構緊湊。一個(gè)明顯的缺點(diǎn)是，LDO 只能提供比輸入低的輸出。當 24 V 電源降至其標稱(chēng)值以下時(shí)，LDO 就無(wú)能為力了。
LDO 的另一個(gè)潛在缺點(diǎn)是效率低下。LDO 本質(zhì)上使用電阻分壓器網(wǎng)絡(luò )來(lái)調節電壓，因此輸入電壓和輸出電壓之差越大，內部功耗越大，溫升越高。例如，如果使用 LDO 將 48 V 電源調節到 24 V，穩壓器的工作效率將在 50% 左右。在人們盡可能節約能源的時(shí)代，這種“揮霍浪費”是不可接受的（圖 1）。
圖 1：LDO 的效率與輸出電壓和輸入電壓之比成正比。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
LDO 的改進(jìn)方案
開(kāi)關(guān)穩壓器可提高電壓調節任務(wù)的效率。其工作原理十分復雜，但調節基本上是通過(guò)如下方式實(shí)現的：高頻開(kāi)關(guān)晶體管對，以周期性地給一個(gè)或多個(gè)電感器充電，然后電感器將其能量耗散給負載，準備好在下一個(gè)周期再次充電。與 LDO 不同，電壓調節不是使用電阻網(wǎng)絡(luò )對輸入電壓進(jìn)行分壓來(lái)實(shí)現的。它有效消除了與線(xiàn)性器件相關(guān)的大多數效率低下問(wèn)題。
因此，如果使用現代開(kāi)關(guān)穩壓器從 48 V 輸入提供 24 V 輸出，我們可以合理地預期其效率會(huì )遠高于 90%（在某些設計約束范圍內）。更妙的是，開(kāi)關(guān)穩壓器的輸出電壓可以高于（“升壓”）也可以低于（“降壓”）輸入電壓。許多器件可以在升壓和降壓這兩種模式之間無(wú)縫切換。因此，即使輸入電壓在較低和較高電壓之間擺動(dòng)，穩壓器也能有效地提供穩定的 24 V 電壓，以使直流電機保持運轉（圖 2）。
圖 2：最簡(jiǎn)單形式的開(kāi)關(guān)降壓/升壓穩壓器包括一個(gè)晶體管、兩個(gè)二極管、一個(gè)電感器和一個(gè)電容器。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
開(kāi)關(guān)穩壓器也有一些缺點(diǎn)：復雜、昂貴，并且需要大量外部元器件；這些元器件不僅占用空間，而且需要相當高超的設計技能來(lái)適當地選型。最大的挑戰或許來(lái)自高頻開(kāi)關(guān)。這種開(kāi)關(guān)不僅會(huì )產(chǎn)生電磁干擾 (EMI)，而且會(huì )在輸出電壓上產(chǎn)生可辨別的紋波。這兩種影響都可以通過(guò)設計良好的濾波電路來(lái)緩解，但無(wú)法消除。
提升效率
開(kāi)關(guān)穩壓器雖然具有出色的效率，但并不完美。功耗的主要來(lái)源是晶體管導通時(shí)的直流損耗和狀態(tài)改變時(shí)的開(kāi)關(guān)損耗。制造商在其產(chǎn)品中采用了一些巧妙的手段，以提高特定模式下的工作效率。例如，斷續導電模式 (DCM) 可防止穩壓器的電感電流在低輸出電流下逆轉方向。這有助于提高輕負載時(shí)的效率。
當今的開(kāi)關(guān)穩壓器即使在并不需要調節的時(shí)候也會(huì )進(jìn)行調節，在此過(guò)程中能量被白白消耗。但是，有一個(gè)技巧到目前為止尚未得到充分利用?？紤]使用標稱(chēng) 24 V 電源為 24 V 直流電機供電的例子。雖然電源電壓的變化幅度可能很大，但會(huì )有很多時(shí)候它是在 24 V，或者至少非常接近 24 V。在這些時(shí)候，我們可以停止調節電壓，從而消除傳導和開(kāi)關(guān)損耗以及穩壓器引起的其他功率損耗，以提高效率。
這一技術(shù)已由 Analog Devices 通過(guò)“直通”模式實(shí)現了商用。LT8210EFE 降壓-升壓穩壓器等產(chǎn)品已整合這項技術(shù)（圖 3）。該穩壓器具有兩對高壓側和低壓側晶體管，可將 2.8 V 至 100 V 輸入轉換為 1 V 至 100 V 輸出。
圖 3：在直通模式下，輸入電壓通過(guò)永久接通的高壓側晶體管流過(guò) LT8210。效率非常高，而且不會(huì )產(chǎn)生噪聲。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
在直通模式下，該器件的兩個(gè)高壓側開(kāi)關(guān)永久導通，允許未經(jīng)調節的電壓直接流過(guò)器件，而兩個(gè)低壓側開(kāi)關(guān)永久關(guān)斷。根據通過(guò)穩壓器的電流和電壓，有可能實(shí)現接近 100% 的效率。更妙的是，直通模式下不會(huì )產(chǎn)生 EMI 或輸出電壓紋波。
保持低溫
LT8210 的直通區間可以通過(guò)設定高低調節閾值來(lái)設置。例如，用戶(hù)可能需要標稱(chēng) 12 V 輸出供負載使用，同時(shí)知道負載可以安全地承受 8 V 至 16 V 的未調節電壓。因此，用戶(hù)可為該范圍設置直通模式；當電源電壓處于該范圍內時(shí)，效率會(huì )非常高。若電源電壓低于 8 V，穩壓器將開(kāi)啟以將電壓提升至 8 V；若電源電壓高于 16 V，穩壓器將開(kāi)啟以將電壓降低至 16 V（圖 4）。
圖 4：LT8210 支持設置直通區間。調節僅發(fā)生在該區間之外。請注意在直通區間運行期間效率明顯提高。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
Analog Devices 還提供了一款方便的演示板 DC2814A-C，其基于 LT8210。該演示板在 26 V 至 80 V 輸入下工作，提供 36 V 至 56 V 輸出，最大電流為 2 A。該板可用于展示直通模式對元器件溫度等參數的積極影響（圖 5，a 和 b）。
圖 5：圖 (a) 所示為 DC2814A-C 演示板將 60 V 輸入降至 56 V 輸出時(shí)的溫度曲線(xiàn)，負載電流為 2 A。圖 (b) 為該演示板在直通模式下工作時(shí)的溫度曲線(xiàn)，電源電壓為 45 V，負載電流為 2 A。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
總結
在高效率非常重要的場(chǎng)合，開(kāi)關(guān)穩壓器是電壓調節的理想選擇。但是，開(kāi)關(guān)穩壓器仍然會(huì )消耗一些能量，而且開(kāi)關(guān)噪聲可能是一個(gè)挑戰。利用 Analog Device 的直通特性，用戶(hù)可以實(shí)現效率的顯著(zhù)提升和無(wú)噪聲運行。負載對電壓波動(dòng)的承受能力越強，潛在效益越大。
(作者：Steven Keeping)
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