電壓調(diào)節(jié)器（穩(wěn)壓器）是一種集成電路，旨在將其輸入端的電壓調(diào)節(jié)到其輸出端的恒定、固定電壓，而不管負(fù)載電流或輸入電壓如何變化。

英銳恩單片機(jī)開發(fā)工程師介紹，我們?cè)陂_發(fā)電子產(chǎn)品的時(shí)候，它通常由不同的電子元件組成，這些電子元件有時(shí)在不同的電壓水平下運(yùn)行。因此，為了可靠地滿足特定設(shè)計(jì)或設(shè)計(jì)中不同組件的電源要求，通常在電源單元中使用穩(wěn)壓器來(lái)將主電源的電壓調(diào)節(jié)到設(shè)備不同部分所需的電壓。

在為任何設(shè)備設(shè)計(jì)電源單元時(shí)，總是需要做出大量決定。這些決定之一，便是穩(wěn)壓器的選擇，因?yàn)樗鼈冇胁煌摹靶螤詈痛笮　保哂胁煌盎ɡ锖凇钡奶匦浴Ｋ裕x擇很重要，比如它們?cè)谝粋€(gè)電路中使用時(shí)成為一個(gè)很好的選擇，但在其他電路中可能是一場(chǎng)災(zāi)難。

因此，為電子產(chǎn)品開發(fā)項(xiàng)目選擇合適的調(diào)節(jié)器需要對(duì)選項(xiàng)有透徹的了解，本文將重點(diǎn)關(guān)注這一點(diǎn)。我們將評(píng)估不同類型的電壓調(diào)節(jié)器、它們的工作原理以及何時(shí)使用一種比另一種更有意義。

一、穩(wěn)壓器的類型

電壓調(diào)節(jié)器可以根據(jù)不同的因素進(jìn)行分類，例如它們的應(yīng)用、它們的工作電壓、電源轉(zhuǎn)換機(jī)制等等。

在本文中，我們將重點(diǎn)介紹有源電壓調(diào)節(jié)器，并根據(jù)它們用于調(diào)節(jié)的機(jī)制將它們分為兩大類。這兩個(gè)類別包括：

（1）線性穩(wěn)壓器。
（2）開關(guān)穩(wěn)壓器。

1.線性穩(wěn)壓器

線性穩(wěn)壓器使用分壓器的原理將其輸入端的電壓轉(zhuǎn)換為所需的輸出端電壓。它們采用反饋環(huán)路自動(dòng)改變系統(tǒng)中的電阻，以抵消負(fù)載阻抗和輸入電壓變化的影響，所有這些都是為了確保輸出電壓保持恒定。

線性穩(wěn)壓器的典型實(shí)現(xiàn)涉及使用FET作為分壓器的一側(cè)，反饋回路連接到晶體管的柵極，根據(jù)需要驅(qū)動(dòng)它以確保輸出電壓的一致性。

雖然將晶體管用作電阻器有助于簡(jiǎn)化線性穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，但它在很大程度上導(dǎo)致了與穩(wěn)壓器相關(guān)的低效率。其原因是晶體管將多余的電能（輸入電壓和輸出電壓之間的電壓差）轉(zhuǎn)換為熱量，從而導(dǎo)致晶體管發(fā)熱導(dǎo)致功率損失。

在輸入電壓或輸出負(fù)載電流過(guò)高的情況下，穩(wěn)壓器可能會(huì)產(chǎn)生熱量，從而導(dǎo)致其擊穿。為了緩解這種情況，設(shè)計(jì)人員通常采用散熱器，其尺寸由通過(guò)穩(wěn)壓器吸收的電流（功率）量決定。

對(duì)于線性穩(wěn)壓器，另一點(diǎn)值得一提的是，輸入電壓需要比輸出電壓高出一個(gè)最小值，稱為壓降電壓。該電壓值（通常約為2v）因穩(wěn)壓器而異，有時(shí)由于功率損耗而成為從事低功率應(yīng)用的設(shè)計(jì)人員關(guān)注的主要問(wèn)題。作為解決此問(wèn)題的一種方法，使用一種稱為L(zhǎng)DO（低壓差）穩(wěn)壓器的線性穩(wěn)壓器，因?yàn)樗鼈兊脑O(shè)計(jì)能夠在輸入和輸出電壓之間的低至100mV的差異下工作。

在下文中，以LM7805線性穩(wěn)壓器為例：

優(yōu)點(diǎn)

線性穩(wěn)壓器的一些優(yōu)點(diǎn)包括：

1.設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)；
2.產(chǎn)生較低的EMI和噪聲；
3.對(duì)負(fù)載電流或輸入電壓條件變化的快速響應(yīng)時(shí)間；
4.輸出紋波電壓低。

缺點(diǎn)

線性穩(wěn)壓器的一些缺點(diǎn)包括：

1.大量電能以熱能形式浪費(fèi)，效率低；
2.壓降要求使其成為低功率應(yīng)用的糟糕選擇；
3.由于需要散熱片，在印刷電路板上占用更多空間；
4.大量電能以熱能形式浪費(fèi)，效率低；
5.壓降要求使其成為低功率應(yīng)用的糟糕選擇；
6.由于需要散熱片，在印刷電路板上占用更多空間；
2.開關(guān)穩(wěn)壓器。

盡管它們具有更復(fù)雜的設(shè)計(jì)并且需要更多配套元件才能發(fā)揮作用，但開關(guān)穩(wěn)壓器是一種超高效穩(wěn)壓器，用于不能容忍功率損耗（如線性穩(wěn)壓器）的情況。

開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器中的電壓調(diào)節(jié)機(jī)制涉及快速開關(guān)與儲(chǔ)能組件（電容器或電感器）串聯(lián)連接的元件，以定期中斷電流流動(dòng)并將電壓從一個(gè)值轉(zhuǎn)換為另一個(gè)值。如何做到這一點(diǎn)取決于反饋機(jī)制的控制信號(hào)，例如線性穩(wěn)壓器中采用的反饋機(jī)制。

與線性穩(wěn)壓器不同，開關(guān)元件要么處于完全導(dǎo)通狀態(tài)，要么處于關(guān)斷狀態(tài)。它不耗散功率，并允許穩(wěn)壓器獲得比線性穩(wěn)壓器更高的效率。

開關(guān)穩(wěn)壓器的基本實(shí)現(xiàn)使用在截止或飽和狀態(tài)下運(yùn)行的“傳輸晶體管”作為開關(guān)元件。當(dāng)傳輸晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，沒有電流流過(guò)它，因此沒有功率耗散，但是當(dāng)它處于飽和狀態(tài)時(shí)，它的兩端出現(xiàn)可以忽略不計(jì)的壓降，伴隨著少量的功率耗散，最大電流被轉(zhuǎn)發(fā)到負(fù)載。由于開關(guān)動(dòng)作和在截止?fàn)顟B(tài)期間節(jié)省的能量，開關(guān)穩(wěn)壓器的效率通常為70%。

基于開關(guān)和PWM的控制提供了很大的靈活性，允許開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器在不同模式下工作并以各種類型存在，包括：

（1）降壓開關(guān)穩(wěn)壓器。
（2）升壓開關(guān)穩(wěn)壓器。
（3）降壓/升壓開關(guān)穩(wěn)壓器。

1.降壓開關(guān)穩(wěn)壓器

降壓開關(guān)穩(wěn)壓器，也稱為降壓穩(wěn)壓器，將輸入端的高電壓轉(zhuǎn)換為輸出端的低電壓。這種操作類似于線性穩(wěn)壓器的操作，不同之處在于降壓穩(wěn)壓器以更高的效率運(yùn)行。下面提供了說(shuō)明降壓穩(wěn)壓器中組件排列的圖像。

2.升壓開關(guān)穩(wěn)壓器

升壓開關(guān)穩(wěn)壓器，也稱為升壓穩(wěn)壓器，可以將輸入端的低電壓轉(zhuǎn)換為輸出端的較高電壓。它們的配置是線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器之間的主要區(qū)別之一，因?yàn)槿绻€性穩(wěn)壓器的輸入電壓大于其輸出所需的電壓，則不會(huì)進(jìn)行調(diào)節(jié)。下面提供了說(shuō)明升壓開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器的電路。

3.降壓/升壓穩(wěn)壓器

降壓/升壓穩(wěn)壓器結(jié)合了上述兩個(gè)穩(wěn)壓器的特性。它可以提供固定的輸出電壓，而不管輸入和輸出電壓之間的差異（+或-）。它們?cè)陔姵貞?yīng)用中非常有用，在這些應(yīng)用中，輸入電壓（開始時(shí)可能高于輸出電壓）隨著時(shí)間的推移降低到低于輸出電壓的水平。下面提供了說(shuō)明降壓/升壓開關(guān)穩(wěn)壓器的電路：

缺點(diǎn)

與開關(guān)穩(wěn)壓器一樣高效和完美，它們也有缺點(diǎn)，其中包括：

1.復(fù)雜的設(shè)計(jì)；
2.需要更多額外組件；
3.貴；
4.如果管理不當(dāng)，可能會(huì)影響產(chǎn)品認(rèn)證的高EMI和噪聲生成率
5.高輸出電壓紋波；
6.與線性穩(wěn)壓器相比，瞬態(tài)恢復(fù)時(shí)間更慢。

優(yōu)點(diǎn)

根據(jù)您的應(yīng)用，開關(guān)穩(wěn)壓器的優(yōu)勢(shì)可能會(huì)超過(guò)其劣勢(shì)。其中一些優(yōu)點(diǎn)包括：

1.體積小；
2.高效率；
3.它們可以提供大于或小于輸入電壓的輸出電壓；
4.適合低功耗應(yīng)用；
5.體積小；
6.高效率；
7.它們可以提供大于或小于輸入電壓的輸出電壓；
8.適合低功耗應(yīng)用。

二、為電子產(chǎn)品開發(fā)項(xiàng)目選擇合適的穩(wěn)壓器

為您的項(xiàng)目選擇合適的穩(wěn)壓器通常不是在線性穩(wěn)壓器或開關(guān)穩(wěn)壓器之間進(jìn)行選擇的問(wèn)題。可以通過(guò)簡(jiǎn)單地考慮它們的優(yōu)缺點(diǎn)并決定哪一個(gè)最適合您來(lái)在兩者之間進(jìn)行選擇。但是，需要驗(yàn)證穩(wěn)壓器的其他特定屬性（開關(guān)或線性）以確保它非常適合您的項(xiàng)目。其中五個(gè)基本屬性描述如下：

1.輸出電壓（或電壓范圍）

這可能是監(jiān)管機(jī)構(gòu)首先要注意的事情。確保穩(wěn)壓器的輸出電壓（或電壓范圍）與您的應(yīng)用所需的值相匹配。對(duì)于某些穩(wěn)壓器，可能需要外部組件來(lái)將輸出電壓保持在所需的電壓水平上。所有這些都應(yīng)該在為您的項(xiàng)目給調(diào)節(jié)器蓋上橡皮圖章之前確認(rèn)。

2.輸出電流

電壓調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)考慮了特定的電流額定值。將它們連接到電流要求大于其額定電流的負(fù)載可能會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)壓器損壞或負(fù)載出現(xiàn)故障。這在線性穩(wěn)壓器的情況下更為重要，因?yàn)殡娏鲗?duì)功率損耗有直接影響。

始終確保您選擇的穩(wěn)壓器能夠承受預(yù)期的負(fù)載電流。

3.輸入電壓范圍

這是指穩(wěn)壓器支持的輸入電壓的容許范圍。它通常在數(shù)據(jù)表中指定，作為設(shè)計(jì)人員，確保應(yīng)用的可能輸入電壓在該范圍內(nèi)很重要。大多數(shù)初級(jí)設(shè)計(jì)人員在解決此問(wèn)題時(shí)犯的一個(gè)錯(cuò)誤是只關(guān)注最大輸入電壓，而忘記了低于指定最小電壓的輸入電壓可能會(huì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)誤差，尤其是在線性穩(wěn)壓器的情況下。了解這些值將幫助您估計(jì)穩(wěn)壓器因線性穩(wěn)壓器產(chǎn)生過(guò)多熱量或開關(guān)穩(wěn)壓器故障而發(fā)生故障的條件。

4.工作溫度范圍

在大多數(shù)數(shù)據(jù)表中定義為環(huán)境溫度(Ta)或結(jié)溫，工作溫度范圍是穩(wěn)壓器正常工作的溫度范圍。更具體地說(shuō)，結(jié)溫通常是指晶體管的最高工作溫度。相反，環(huán)境溫度是指設(shè)備周圍環(huán)境的溫度。這兩個(gè)值都很重要，尤其是對(duì)于線性穩(wěn)壓器，因?yàn)樗鼈冇兄跒榉€(wěn)壓器選擇完美的散熱器。

5.壓降

這在選擇線性穩(wěn)壓器時(shí)很重要。如前所述，壓差是指輸入電壓必須大于輸出電壓才能進(jìn)行調(diào)節(jié)的量。雖然這對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)可能不是一個(gè)重要的考慮因素，但對(duì)于效率和低功耗考慮很重要的應(yīng)用，使用具有低壓降電壓的穩(wěn)壓器是有意義的。

還需要考慮其他因素，如效率、封裝尺寸、瞬態(tài)響應(yīng)和潛在的EMI噪聲生成。

總之，決定使用哪種穩(wěn)壓器的簡(jiǎn)單方法是首先根據(jù)其優(yōu)缺點(diǎn)來(lái)決定線性穩(wěn)壓器還是開關(guān)穩(wěn)壓器是最佳選擇。在此決策級(jí)別之后，可以對(duì)調(diào)節(jié)器的屬性進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)查，因?yàn)樗赡軙?huì)影響您的設(shè)計(jì)。盡管這種盡職調(diào)查有時(shí)感覺沒有必要，但它可能對(duì)您的項(xiàng)目的成功非常重要。

以上就是英銳恩單片機(jī)開發(fā)工程師分享的“電子產(chǎn)品開發(fā)：不同類型的穩(wěn)壓器及工作原理”。英銳恩專注單片機(jī)應(yīng)用方案設(shè)計(jì)與開發(fā)，提供8位單片機(jī)、16位單片機(jī)、32位單片機(jī)。