穩(wěn)壓器廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，國(guó)際上制定嚴(yán)格的高能效法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)，提升電源能效，降低能耗，以期減輕對(duì)環(huán)境的壓力。線性穩(wěn)壓器和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器是比較常用，他們之間有什么聯(lián)系和區(qū)別呢？ 下面就和工采網(wǎng)小編一起來(lái)了解和學(xué)習(xí)。
一、線性穩(wěn)壓器和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的不同概念
1.什么是線性穩(wěn)壓器?
線 性穩(wěn)壓器使用在其線性區(qū)域內(nèi)運(yùn)行的晶體管或 FET,從應(yīng)用的輸入電壓中減去超額的電壓，產(chǎn)生經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)的輸出電壓。所謂壓降電壓，是指穩(wěn)壓器將輸出電壓維持在其額定值上下 100mV 之內(nèi)所需的輸入電壓與輸出電壓差額的較小值。正輸出電壓的 LDO(低壓降)穩(wěn)壓器通常使用功率晶體管(也稱(chēng)為傳遞設(shè)備)作為 PNP.這種晶體管允許飽和，所以穩(wěn)壓器可以有一個(gè)非常低的壓降電壓，通常為 200mV 左右;與之相比，使用 NPN 復(fù)合電源晶體管的傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器的壓降為 2V 左右。負(fù)輸出 LDO 使用 NPN 作為它的傳遞設(shè)備，其運(yùn)行模式與正輸出 LDO 的 PNP設(shè)備類(lèi)似。
2.什么是開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器?
開(kāi) 關(guān)穩(wěn)壓器使用輸出級(jí)，重復(fù)切換“開(kāi)”和“關(guān)”狀態(tài)，與能量存貯部件(電容器和感應(yīng)器)一起產(chǎn) 生輸出電壓。它的調(diào)整是通過(guò)根據(jù)輸出電壓的反饋樣本來(lái)調(diào)整切換定時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在固定頻率的穩(wěn)壓器中，通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)電壓的脈沖寬度來(lái)調(diào)節(jié)切換定時(shí)這就是所謂 的 PWM 控制。在門(mén)控振蕩器或脈沖模式穩(wěn)壓器中，開(kāi)關(guān)脈沖的寬度和頻率保持恒定，但是，輸出開(kāi)關(guān)的“開(kāi)”或“關(guān)”由反饋控制。 根據(jù)開(kāi)關(guān)和能量存貯部件的排列，產(chǎn)生的輸出電壓可以大于或小于輸入電壓，并且可以用一個(gè)穩(wěn)壓器產(chǎn)生多個(gè)輸出電壓。在大多數(shù)情況下，在同樣的輸入電壓和輸出 電壓要求下，脈沖(降壓)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器比線性穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換電源的效率更高。
二、線性穩(wěn)壓器與開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的優(yōu)劣勢(shì)
1.線性穩(wěn)壓器與開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的主要優(yōu)劣勢(shì)特點(diǎn)如下表所示：
2.線性穩(wěn)壓器和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的本質(zhì)區(qū)別
開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器是與線性穩(wěn)壓器是 不同的一類(lèi)穩(wěn)壓電源，它的電路型式主要有單端反激式、單端正激式、半橋式、推挽式和全橋式。它和線性電源的根本區(qū)別在于電路中的變壓器不工作在工頻而是工 作在幾十千赫茲到幾兆赫茲。功率管不是工作在線性區(qū)，而是飽和及截止區(qū)，即工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài);開(kāi)關(guān)型直流穩(wěn)壓電源也因此而得名。
工業(yè)傳感器供電采用什么類(lèi)型穩(wěn)壓器好？
現(xiàn)代工廠都采用自動(dòng)化系統(tǒng)，依靠整個(gè)工廠范圍內(nèi)的許多傳感器提供的反饋信息來(lái)保持高生產(chǎn)率。這些公司采用數(shù)字現(xiàn)場(chǎng)總線來(lái)匯總傳感器收集的大量數(shù)據(jù)。傳感器收集的數(shù)據(jù)越多，系統(tǒng)的適應(yīng)性和操作性就越好。
因此，采用現(xiàn)場(chǎng)總線連接的現(xiàn)代工業(yè)傳感器必須以更快和更精確的速率來(lái)檢測(cè)信號(hào)，并將該信息作為與傳統(tǒng)模擬信號(hào)相對(duì)的數(shù)字信號(hào)輸出。這一功能要求傳感器使用功率更大的處理器。此外，由于工廠中此類(lèi)傳感器的數(shù)量更多，因此形狀因數(shù)變小。功率的增大以及形狀因數(shù)的變小迫使工廠擯棄成熟的線性穩(wěn)壓器方案，轉(zhuǎn)而采用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器方案。
而采用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器又產(chǎn)生了新的挑戰(zhàn)。由于電感器要求使用額外的區(qū)域，因此開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器形狀因數(shù)較大。必須考慮穩(wěn)壓器開(kāi)關(guān)頻率與測(cè)量信號(hào)頻率之間的關(guān)系。
因此，轉(zhuǎn)換器的布局更加關(guān)鍵。設(shè)計(jì)不良的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器會(huì)提高本底噪聲，并產(chǎn)生不必要的電磁兼容性（EMC），將會(huì)干擾小型信號(hào)的檢測(cè)。
幸運(yùn)的是，我們目前提供了集成電感器DC/DC開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，可以較大限度地減少此類(lèi)挑戰(zhàn)。電感器的集成不僅減小了開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的面積，還可以更輕松地實(shí)現(xiàn)適宜布局。新型DC/DC轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率顯著提高，因此可以使用小型片式電感器和陶瓷電容器，使得DC/DC轉(zhuǎn)換器成為外形較小的選擇。
新型LMZM23601電源模塊將DC/DC轉(zhuǎn)換器、電感器、Vcc濾波電容器和升壓電容器集成到一個(gè)3mm*3.8mm*1.6mm的封裝中。這樣可以處理較高36V的輸入電壓，并將電壓從15V降至2.5V（固定5V和3.3V可選），同時(shí)輸出電流高達(dá)1A。如圖1所示，占用較小的板內(nèi)空間實(shí)現(xiàn)完整的1A解決方案。
圖?1：LMZM23601解決方案適用于3.3V至5V輸出，電流高達(dá)1A
將LMZM23601與傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器方案相比較，來(lái)滿足現(xiàn)場(chǎng)變送器應(yīng)用的以下要求：
- 輸入電壓：10V至30V，公稱(chēng)24V
- 輸出電壓：3.3V
- 輸出電流：35mA
- 溫度范圍：環(huán)境溫度-40°C至85°C
- 板面積：4mm*4.5mm
如表1所示，與微型小外形封裝（MSOP）8相比，LMZM23601具有封裝面積和熱能方面的優(yōu)勢(shì)。注意：表1中規(guī)定的?R?JA僅供比較參考，鑒于板空間和銅排有限，在實(shí)際傳感器應(yīng)用中，該值會(huì)更高。聯(lián)合電子設(shè)備工程委員會(huì)(JEDEC)或評(píng)估模塊（EVM）計(jì)算了數(shù)據(jù)表中的典型R?JA值。例如，LMZM23601?45°C/W的R?JA是基于一塊30mm*30mm的雙層電路板計(jì)算出來(lái)的。
| 設(shè)計(jì)選項(xiàng) | 封裝尺寸（mm） | 封裝面積（mm2） | 封裝熱能R?JA（?C/W） |
| LMZM23601 | 3 x 3.8 | 11.4 | 45 |
| 線性–MSOP-8 | 5 x 3 | 15.0 | 60 |
| 線性-散熱器薄小外形封裝（HTSSOP） | 5.1 x 6.6 | 33.7 | 39.7 |
| 線性-晶體管外形（TO）-252 | 10.7 x 15.9 | 169.4 | 26.9 |
| 線性–TO-263 | 10.4 x 6.7 | 69.7 | 24.7 |
表1：?LMZM23601與按照封裝類(lèi)型分類(lèi)的線性穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)選項(xiàng)?
如表2所示，線性穩(wěn)壓器功耗為（24V-3.3V） x 35mA?約等于0.93W功率，?而LMZM23601功耗僅為0.116W。?MSOP-8封裝線性穩(wěn)壓器的溫度上升使得結(jié)溫高于125℃的標(biāo)準(zhǔn)集成電路（IC）結(jié)溫，而根據(jù)45°C/W R?JA，LMZM23601的結(jié)溫為90°C。即使將R?JA乘以系數(shù)5，得到的Tj較大值仍然低于該結(jié)溫。
| 設(shè)計(jì)選項(xiàng) | 功耗（W） | 溫升(°C) | 結(jié)溫(°C) |
| LMZM23601 | 0.1155 | 5.2 | 90 |
| 線性–MSOP-8 | 0.9355 | 56.13 | 141 |
表2：35mA下24V至3.3V轉(zhuǎn)換的熱考量
從這個(gè)例子可以看出，很明顯從熱能角度來(lái)看，線性穩(wěn)壓器并非可行的方案。采用開(kāi)關(guān)方案進(jìn)行權(quán)衡（即使是采用LMZM23601等模塊）意味著必須要考慮輸出紋波。如圖2所示，標(biāo)準(zhǔn)LMZM23601設(shè)計(jì)3.3V輸時(shí)的輸出紋波峰峰值約為3mV。
圖?2：3.3V輸出下LMZM23601EVM的輸出紋波
為了進(jìn)一步降低輸出紋波，可以采用一臺(tái)二級(jí)濾波器，如圖3所示。圖4顯示輸出紋波的峰峰值已從3mV降至低于1mV。
圖?3：帶二級(jí)濾波器的LMZM23601
圖?4：帶二級(jí)濾波器的LMZM23601輸出電壓紋波
對(duì)于要滿足緊湊板空間要求的工業(yè)傳感器來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器是可行的選擇。LMZM23601集成電感器不僅具有高性能，解決方案尺寸小于線性穩(wěn)壓器，同時(shí)具有開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的效率。
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