线性稳压器与开关稳压器的选择分析

在最基本的术语中，降压调节器接收输入电压并将其转换为负载所需的较低电压。有两种主要类型的电压调节器，线性和开关。线性稳压器通过吸收输入和输出之间的能量差来工作，同时开关稳压器切断输入电压，然后平均斩波电压以提供适当的输出电压。

一个靠近的稳压器一个或多个为其供电的设备通常被称为负载点调节器。这种类型的稳压器通常从PCB上包含的电压总线接收其输入。

在评估特定应用的电源时，应考虑几个参数。

静态电流 - 当IC不是源电流时IC消耗的电流量它的输入不是循环的。

效率 - 定义为稳压器电路的功率与稳压器输出功率之比。功率输入包括静态电流，寄生元件引起的损耗和传递给负载的功率。

等效串联电阻 - 稳压器电路中使用的电容器的电阻元件。需要注意输出电容器的ESR。

循环 - 定义为影响调节器输出和稳定性的所有元素。这包括功率级，误差放大器，调制器和补偿电路等模块。

此外，如图1所示，与电源相关的其他几个规格也会影响它们的工作。

TJ-MAX - 允许IC中的结点达到的最高允许温度。

TA - 定义为调节器附近空气的环境温度。

RTHETA-JA - 从结到环境的热阻。这包括结到外壳，外壳到PCB和PCB到空气的热阻。

VFB - 用于设置输出电压的反馈电压。 R1和R2创建一个电阻分压器，从VOUT形成VFB。误差放大器用于保持VFB等于VREF。

图1：电压调节器定义。

通常使用线性稳压器，因为它们的易于使用，通常具有非常低的元件数要求。这种类型的稳压器相当于一个可调电阻，它将VIN降至VOUT并试图保持VOUT恒定。以下是线性稳压器中要查找的关键参数列表：

压差电压 - 这是VOUT上方维持正确调节所需的最小电压。

低压差（LDO） - 这是一种在VDROPOUT非常小时起作用的稳压器。

稳定区域 - 线性稳压器的区域，输出将保持稳定。它适用于不同的输出电容，取决于输出电容的ESR。

PD-MAX - 器件可以消耗的最大功率由下式给出。它被定义为TJ-MAX和TAMBIENT的差值除以RTHETA-JA。通过组合和重新排列功耗公式，可以确定最大允许输出电流是多少。

线性稳压器可分为集成或离散（如图2所示） 。集成的线性稳压器具有集成在封装中的通路元件。离散解决方案具有外部传递元件。对于分立或集成调节器，可以或可以不集成反馈组件。 SC339是分立线性稳压器的一个例子。 SC4215H是集成线性稳压器的一个示例。

图2：集成与离散线性稳压器。

如图3所示，VIN定义为3.3 V，VOUT定义为2.5 V.我们首先选择R2为10kΩ。根据数据表中的计算R1和使用0.5 V VREF的公式，我们得出R1所需的40kΩ值。我们将TAMBIENT定义为50°C。从数据表中，我们发现TJ-MAX的值定义为125°C，RTHETA-JA定义为36°C/Watt。使用这些值，我们可以计算出最大可用输出电流，即2.6 A。

图3：线性稳压器示例 - SC4216H。

数据表规定每安培输出电流需要10μF才能防止输入到调节器下垂。要支持上一张幻灯片计算的全部电流，至少需要26μF。由于电容容差，应选择最小33μF的电容。除了大容量电容外，建议将4.7μF陶瓷直接放置在稳压器的VIN引脚旁边。对于输出，建议使用每安培输出电流10μF的相同规则。这将导致输出使用相同的33μF值。重要的是要观察输出电容的ESR，以确保不输入不稳定区域。虽然没有给出33μF电容的图表，但我们可以在给出的两个图形之间进行插值，并使用5mΩESR来保持稳定性。还建议在VOUT引脚旁边使用0.1μF电容。

降压稳压器将较高的VIN转换为较低的VOUT，如图4所示。控制器定期打开和关闭开关S以进行连接VIN和地之间的相节点。然后在相位节点处看到的波形通过电感和电容滤波，为负载提供平滑的电压。

图4：降压稳压器。

当开关S闭合且开关S断开时，降压调节器有两种不同的状态（如图5所示）。当开关闭合时，VIN为电感和电容充电并提供输出电流。当开关打开时，电感器中的磁场坍塌并使电感器两端的电压改变极性。极性的这种变化将相位节点拉到地下，正向偏置二极管。这允许电流继续流动，因为电感器提供负载所需的电流。

图5：基本降压稳压器状态。

如前所述，随着电感器磁场的坍塌，二极管变为正向偏置。这种情况在没有任何时钟参考的情况下发生，并且被称为异步调节器。所使用的二极管的VF代表异步调节器内的很大一部分损耗，特别是当VF的值接近VOUT的值时。通过用另一个MOSFET替换二极管，可以降低系统中的损耗。这需要更复杂的控制器，以确保MOSFET不会同时导通。由于底部MOSFET现在受到控制，因此拓扑结构称为同步稳压器。 S1也称为顶部FET或高侧FET。 S2也称为底部FET或低侧FET。异步和同步降压稳压器之间的比较如图6所示。

图6：异步与同步降压调节器。

图7中的波形与降压稳压器相关联。 DH是高侧FET的控制信号。当控制器接通高侧FET时，电流会在开关中上升。同时，电感中的电流也会升高，相位节点的电压达到VIN。当高侧开关关闭时，电感和低侧FET中的电流都会下降，相节点的电压会被拉至地。

然后，VPHASE的信号被滤除。形成VOUT。

高端FET导通的时间定义为tON。高侧FET关断的时间定义为tOFF。 tON加tOFF的时间定义为T或总循环时间。

图7：基本降压稳压器波形。

降压调节器可进一步分为两类（如图8所示） ），集成稳压器和开关控制器。集成开关稳压器将FET构建到封装或硅中。开关控制器要求开关位于IC外部。

图8：集成开关稳压器与开关控制器。

只要在设计中添加反馈网络，就可以使用除提供的固定选项之外的电压。当要求除标准固定电压以外的电压时，建议使用1 V SC189。由于内部补偿，必须在反馈网络的顶侧使用电容器以保持稳定性。已经讨论了计算电容器的公式。 VOUT是所需的输出电压，VOSTD是SC189的电压，没有反馈网络。反馈电阻通过图9中的公式计算。当使用推荐的SC189A时，公式中使用的VREF是器件的VOSTD或1 V。

图9：反馈电阻计算公式。

总之，使用线性稳压器的最佳时间是系统中的噪声不能容忍或者VIN和VOUT差异是小。使用开关稳压器的最佳时间是VIN和VOUT之间的差异很大。此外，当效率很重要且涉及大电流时，最好使用开关稳压器。 Semtech有线性稳压器和开关稳压器的多种选择。