开关稳压器和线性稳压器的比较

直流稳压技术拥有悠久的历史：首个集成电路稳压器可追溯至半个世纪前。最早出现的是线性稳压器，一些最早的设计至今仍在使用。随后，对效率和设计灵活性的需求推动了开关稳压器拓扑结构的发展。在具体应用中，开关稳压器与线性稳压器各有其优缺点，本文将对两者进行比较和对比。

线性稳压器的概念很简单。图 1 显示了一个典型的采用闭环控制方案的线性稳压器设计。通道晶体管作为可变电阻器，通过限制从输入端到输出端的电流来进行调节。因此，输出电压必须始终低于输入电压。

图1：线性稳压器基础设计

为了在所需的输出电压 VOUT下，确保误差放大器反相输入端的分压电压与非反相输入端的电压 VREF相同，需要选择合适的电阻分压链 R1/R2。误差放大器通过控制其输出，确保其输入端之间的电压差始终为零。

线性稳压器产生的开关噪声极小，适用于需要低噪声水平的应用。在正常运行中，即使输入电压快速波动，输出电压也能保持稳定。这意味着它们无论在基频下，还是在高达五次或十次谐波的情况下，都可以高效地滤除输入纹波。唯一的限制是内部误差放大器的带宽。低噪声应用的例子包括数据采集系统、精密模拟电路和物联网 (IoT) 传感器。

线性稳压器还具有成本低、元器件少等优点，因此非常适合低成本或空间受限的消费和工业设计。另一方面，输入和输出之间的电压差 (VIN– VOUT) 出现在通道晶体管上，造成必须以热量形式耗散的功率损失。根据输入和输出之间的电压差，功率损失可能占到电源功率的很大比例。例如，输入为 9 V、输出为 5 V 的线性稳压器，将 44% 的电源功率作为热量浪费，效率仅为 56%。为满足散热要求，线性稳压器可能需要更大的散热片或额外的冷却机制。

开关稳压器以复杂性换取效率

DC/DC开关稳压器的发明提高了效率，但需要采用更复杂的设计方法。与线性稳压器的设计相比，开关稳压器利用电感和电容元件的储能特性，以离散能量包的形式传输功率。这些能量包储存在电感器的磁场或电容器的电场中。开关控制器确保每个能量包只传输负载所需的能量，因此该拓扑结构非常高效。最佳设计可实现 95% 或更高的效率。与线性稳压器不同，开关稳压器的效率不依赖于输入和输出之间的电压差。

图2：开关稳压器的简化框图

图 2 显示了 DC/DC 开关稳压器的简化框图。多种类型的开关拓扑结构，提供了极大的设计灵活性。开关稳压器可以产生高于或低于输入的输出（升压或降压），或将输入电压反转为输出电压。其中，既有隔离拓扑结构，也有非隔离拓扑结构。 由于开关稳压器效率更高且散热需求降低，因此其结构更为紧凑。然而，开关稳压器的设计和实现难度增大，要求设计人员掌握数字与模拟控制、磁学和电路板布局等多种技能。对于给定的功率等级，提高效率通常需要使用更多元件，导致设计更复杂，成本上升。

快速开关动作可能会引入电磁干扰 (EMI) 或开关噪声，从而影响附近的元器件。设计人员必须注意元器件布局、接地和走线，将开关噪声的影响降至最低。对任何效率至上的应用来说，开关稳压器是首选，例如服务器、计算机和工业过程控制中使用的高功率电源。电池供电的应用同样受益于更高的效率，电池寿命得以延长，例如便携式设备和电动汽车。由于开关稳压器的高效运行，通常无需再使用笨重的散热器，对于空间受限的设计尤其有益。

RECOM 稳压器

RECOM的工程师擅长为特定应用设计最佳的开关和线性拓扑组合。

图3：集两者之长 - 输出端带线性稳压器的推挽式 DC/DC 转换器输入级

在高功率设计中，通常使用开关稳压器进行初级转换，以最大限度地提升整体效率。开关阶段产生的各种电压可直接为负载供电；在需要低噪声的应用场景中，可串联一个线性稳压器。在低功率应用中，最佳策略则取决于具体应用。有时只需一个简单的线性稳压器即可满足需求；有时则需要组合使用开关稳压器和线性稳压器，以获得最佳结果。图3 通过在隔离式开关拓扑（本例中为推挽转换器）的次级侧的 +Vout 线上串联一个线性稳压器，实现稳压输出。这种方法将两种稳压器整合到一个器件中，效率高于纯线性设计，被应用在 RECOM 的部分最低功率 DC/DC 转换器中。

结 论

开关稳压器的特点是效率高、设计灵活和外形尺寸更紧凑，但其设计较为复杂，且开关噪声可能导致电磁干扰问题。线性稳压器则以设计简单、低噪声和成本效益为特点，但其效率较低，且可能需要使用笨重的散热器。RECOM 可以帮助您为各种类型的电源转换应用选择合适的功能组合。