【導讀】穩壓器是這樣一種電路：無(wú)論輸入電壓或負載條件如何變化，它都能產(chǎn)生并保持固定的輸出電壓。穩壓器（VR）將來(lái)自電源的電壓保持在其他電氣組件相容的范圍之內。它最常用于DC / DC電源轉換，但有些也可用于A(yíng)C / AC或AC / DC電源轉換。本文將重點(diǎn)介紹DC / DC穩壓器。
穩壓器是如何工作的？
穩壓器是這樣一種電路：無(wú)論輸入電壓或負載條件如何變化，它都能產(chǎn)生并保持固定的輸出電壓。
穩壓器（VR）將來(lái)自電源的電壓保持在其他電氣組件相容的范圍之內。它最常用于DC / DC電源轉換，但有些也可用于A(yíng)C / AC或AC / DC電源轉換。本文將重點(diǎn)介紹DC / DC穩壓器。
穩壓器類(lèi)型：線(xiàn)性與開(kāi)關(guān)
穩壓器主要有兩種類(lèi)型：線(xiàn)性（Linear）穩壓器和開(kāi)關(guān)（Switching）穩壓器。二者都可調節系統電壓，但線(xiàn)性穩壓器效率較低，而開(kāi)關(guān)穩壓器效率較高。高效開(kāi)關(guān)穩壓器可以將大部分輸入功率無(wú)損傳遞至輸出。
線(xiàn)性穩壓器
線(xiàn)性穩壓器利用了由高增益運放控制的有源導通器件，例如BJT或MOSFET。它對內部參考電壓和采樣輸出電壓進(jìn)行比較，然后調節導通器件的電阻將誤差降至零，從而保持恒定的輸出電壓。
線(xiàn)性穩壓器屬于降壓變換器，顧名思義，其輸出電壓始終低于輸入電壓。但它也具有一定的優(yōu)勢，如易于設計、可靠、經(jīng)濟，而且噪聲低、輸出電壓紋波低。
線(xiàn)性穩壓器（如MPS的MP2018）僅需要一個(gè)輸入電容和一個(gè)輸出電容即可工作（見(jiàn)圖1）。其簡(jiǎn)單性和可靠性讓它們成為工程師眼里最直觀(guān)、最簡(jiǎn)單，通常也是最經(jīng)濟的選擇。
圖1: MP2018線(xiàn)性穩壓器
開(kāi)關(guān)穩壓器
開(kāi)關(guān)穩壓器的電路設計通常比線(xiàn)性穩壓器要復雜，而且它需要選擇外部組件的值，需要調整控制環(huán)路以保持穩定，并進(jìn)行細致的布局設計。
開(kāi)關(guān)穩壓器可以是降壓變換器、升壓變換器或兩者的組合，這使它比線(xiàn)性穩壓器適用性更廣。
開(kāi)關(guān)穩壓器的優(yōu)勢包括高效、散熱性能更佳，而且可以支持更高電流和更廣泛的VIN / VOUT應用。根據應用需求，其效率可高達95％以上。與線(xiàn)性穩壓器不同的是，開(kāi)關(guān)電源系統可能需要其他外部組件，例如電感、電容、FET或反饋電阻。HF920是MPS提供的一款開(kāi)關(guān)穩壓器，它可以實(shí)現高可靠性和高效的功率調節（見(jiàn)圖2）。
圖2: HF920開(kāi)關(guān)穩壓器
穩壓器的缺點(diǎn)
線(xiàn)性穩壓器的主要缺點(diǎn)之一是效率低下，因為在某些應用條件下它們會(huì )耗散大量功率。其壓降甚至可與電阻兩端的壓降相當。例如，在5V輸入和3V輸出的情況下，端子之間有2V的壓降，效率被限制為3V / 5V（60％）。這也意味著(zhù)線(xiàn)性穩壓器最適合具有較低VIN / VOUT壓差的應用。
采用線(xiàn)性穩壓器要充分估計其功耗，這一點(diǎn)很重要，因為輸入電壓過(guò)高會(huì )產(chǎn)生高功耗，從而導致組件過(guò)熱并損壞組件。
線(xiàn)性穩壓器的另一個(gè)局限是它只能用于降壓轉換，而開(kāi)關(guān)穩壓器還可以用于升壓和降壓-升壓轉換。
開(kāi)關(guān)穩壓器效率高，但缺點(diǎn)是通常不如線(xiàn)性穩壓器經(jīng)濟有效。它尺寸較大，更復雜，而且如果不謹慎選擇外部組件的話(huà)，會(huì )產(chǎn)生較大噪聲。 對某些噪聲敏感的應用來(lái)說(shuō)，這會(huì )影響電路的運行和性能，以及EMI性能。
開(kāi)關(guān)穩壓器拓撲：降壓、升壓、線(xiàn)性、LDO和可調
穩壓器具有多種拓撲結構。線(xiàn)性穩壓器通常只依賴(lài)低壓差（LDO）拓撲。而開(kāi)關(guān)穩壓器則有三種常見(jiàn)拓撲：降壓變換器、升壓變換器和降壓-升壓變換器。每種拓撲具體描述如下：
低壓差（LDO）穩壓器
線(xiàn)性穩壓器的常用拓撲是低壓差（LDO）穩壓器。線(xiàn)性穩壓器通常要求輸入電壓至少比輸出電壓高2V，而LDO穩壓器則用于在輸入和輸出端子之間壓差極低（有時(shí)低至100mV）的情況下工作。
降壓（Step-Down）變換器和升壓（Step-Up）變換器
降壓變換器（也稱(chēng)為buck變換器）需要較高的輸入電壓并產(chǎn)生較低的輸出電壓。相反，升壓變換器（也稱(chēng)為boost變換器）采用較低的輸入電壓并產(chǎn)生較高的輸出電壓。
降壓-升壓（Buck-Boost）變換器
降壓-升壓變換器是一種單級變換器，它結合了降壓變換器和升壓變換器的功能，可以在大于或小于輸出電壓的寬輸入電壓范圍內調節輸出。
穩壓器的控制
線(xiàn)性穩壓器的四個(gè)基本組件為導通晶體管、誤差放大器、參考電壓和電阻反饋網(wǎng)絡(luò )。誤差放大器的其中一個(gè)輸入由兩個(gè)電阻（R1和R2）來(lái)設置，用以監測輸出電壓的百分比。另一個(gè)輸入是穩定的參考電壓（VREF）。 如果采樣輸出電壓相對于VREF發(fā)生變化，則誤差放大器會(huì )更改導通晶體管的電阻，以保持輸出電壓（VOUT）的恒定。
線(xiàn)性穩壓器通常只需要一個(gè)外部輸入電容和一個(gè)輸出電容即可工作，因此易于實(shí)現。
而開(kāi)關(guān)穩壓器則需要更多的組件來(lái)創(chuàng )建電路。其功率級在VIN和地之間切換，以創(chuàng )建電荷包并傳遞到輸出。與線(xiàn)性穩壓器類(lèi)似，開(kāi)關(guān)穩壓器也有一個(gè)運算放大器，對來(lái)自反饋網(wǎng)絡(luò )的直流輸出電壓進(jìn)行采樣，并將其與內部參考電壓進(jìn)行比較。然后，誤差信號被放大、補償并濾波。該信號用于調制PWM占空比，以將輸出拉回到穩壓狀態(tài)。例如，如果負載電流迅速增大并導致輸出電壓下降，則控制環(huán)路會(huì )增加PWM占空比，以向負載提供更多電荷，并使電源軌恢復穩定。
線(xiàn)性穩壓器和開(kāi)關(guān)穩壓器的應用
線(xiàn)性穩壓器通常用于成本敏感、噪聲敏感、低電流或空間受限的應用，如耳機、可穿戴設備等消費類(lèi)電子產(chǎn)品和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設備。例如，線(xiàn)性穩壓器可用于助聽(tīng)器等應用，因為它們沒(méi)有會(huì )產(chǎn)生意外噪聲并干擾設備性能的開(kāi)關(guān)元件。
另外，如果設計師更注重低成本而不太關(guān)心功耗，那線(xiàn)性穩壓器也是最佳選擇。
開(kāi)關(guān)穩壓器適用性更廣，它尤其適用于需要高效率和高性能的應用，例如消費類(lèi)、工業(yè)、企業(yè)和汽車(chē)應用（請參見(jiàn)圖3）。例如，如果一個(gè)應用需要大型降壓解決方案，則開(kāi)關(guān)穩壓器更適合，因為線(xiàn)性穩壓器會(huì )產(chǎn)生高功耗，會(huì )損壞其他電氣組件。
圖3: MPQ4430-AEC1降壓變換器
穩壓器芯片的基本參數
使用穩壓器時(shí)需要考慮的一些基本參數包括輸入電壓、輸出電壓和輸出電流。這些參數可以確定哪種VR拓撲與用戶(hù)芯片兼容。
另外還有一些根據應用不同可能相關(guān)的參數，包括靜態(tài)電流、開(kāi)關(guān)頻率、熱阻和反饋電壓。
當應用對輕載或待機模式下的效率比較重視時(shí)，靜態(tài)電流就非常重要。當應用需要緊湊型系統解決方案時(shí)，就應考慮開(kāi)關(guān)頻率這個(gè)參數，因為最大化開(kāi)關(guān)頻率可以使方案盡可能地小。
此外，參數熱阻對設備散熱以及整個(gè)系統中的散熱至關(guān)重要。如果控制器中有一個(gè)內置MOSFET，則所有損耗（傳導損耗和動(dòng)態(tài)損耗）都將在封裝內消散，在計算芯片最大工作溫度時(shí)必須將其考慮在內。
反饋電壓是另一個(gè)需要考慮的重要參數，因為它確定了穩壓器可以支持的最低輸出電壓。而檢查參考電壓則是工程師的標準動(dòng)作，參考電壓限制了較低的輸出電壓，其精度會(huì )影響輸出電壓的調節精度。
如何選擇合適的穩壓器
要選擇合適的穩壓器，設計人員必須首先了解關(guān)鍵的參數需求，例如VIN, VOUT, IOUT,系統優(yōu)先級（如效率、性能、成本），以及其他關(guān)鍵功能，例如電源正常（PG）指示或啟用控制。
一旦確定了這些需求，就可以使用MPS的在線(xiàn)參數搜索表來(lái)找到滿(mǎn)足所有需求的最佳器件。參數搜索表是MPS為設計人員提供的一個(gè)重要工具，它可以根據不同的應用參數需求，為用戶(hù)提供了不同功能和封裝的器件列表。
每個(gè)MPS器件還隨附數據手冊，詳細介紹了需要哪些外部組件，以及如何計算組件值才能實(shí)現高效、穩定和高性能的設計。數據手冊中的信息可用于計算組件值，如輸出電容、輸出電感、反饋電阻和其他關(guān)鍵系統組件。此外，還可以使用仿真工具（如DC/DC在線(xiàn)設計師或MPSmart軟件）、參考應用說(shuō)明，或者在有問(wèn)題時(shí)聯(lián)系當地的現場(chǎng)應用工程師。
MPS提供了各種高效緊湊的線(xiàn)性穩壓器和開(kāi)關(guān)穩壓器，包括MP20056, MP28310, MPQ4572-AEC1, 和MPQ2013-AEC1。
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