穩(wěn)壓器廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,國際上制定嚴(yán)格的高能效法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn),提升電源能效,降低能耗,以期減輕對環(huán)境的壓力。線性穩(wěn)壓器和開關(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)小編一起來了解和學(xué)習(xí)。
一、線性穩(wěn)壓器和開關(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)備類似。
2.什么是開關(guān)穩(wěn)壓器?
開 關(guān)穩(wěn)壓器使用輸出級,重復(fù)切換“開”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)整是通過根據(jù)輸出電壓的反饋樣本來調(diào)整切換定時(shí)來實(shí)現(xiàn)的。在固定頻率的穩(wěn)壓器中,通過調(diào)節(jié)開關(guān)電壓的脈沖寬度來調(diào)節(jié)切換定時(shí)這就是所謂 的 PWM 控制。在門控振蕩器或脈沖模式穩(wěn)壓器中,開關(guān)脈沖的寬度和頻率保持恒定,但是,輸出開關(guān)的“開”或“關(guān)”由反饋控制。 根據(jù)開關(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)壓器與開關(guān)穩(wěn)壓器的優(yōu)劣勢
1.線性穩(wěn)壓器與開關(guān)穩(wěn)壓器的主要優(yōu)劣勢特點(diǎn)如下表所示:
2.線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器的本質(zhì)區(qū)別
開關(guān)穩(wěn)壓器是與線性穩(wěn)壓器是 不同的一類穩(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),即工作在開關(guān)狀態(tài);開關(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型穩(wěn)壓器好?
現(xiàn)代工廠都采用自動化系統(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保持高生產(chǎn)率。這些公司采用數(shù)字現(xiàn)場總線來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檢測信號,并將該信息作為與傳統(tǒng)模擬信號相對的數(shù)字信號輸出。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)而采用開關(guān)穩(wěn)壓器方案。
而采用開關(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,因此開關(guān)穩(wěn)壓器形狀因數(shù)較大。必須考慮穩(wěn)壓器開關(guān)頻率與測量信號頻率之間的關(guān)系。
因此,轉(zhuǎn)換器的布局更加關(guān)鍵。設(shè)計(jì)不良的開關(guān)穩(wěn)壓器會提高本底噪聲,并產(chǎn)生不必要的電磁兼容性(EMC),將會干擾小型信號的檢測。
幸運(yùn)的是,我們目前提供了集成電感器DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器,可以較大限度地減少此類挑戰(zhàn)。電感器的集成不僅減小了開關(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,來滿足現(xiàn)場變送器應(yīng)用的以下要求:
- 輸入電壓:10V至30V,公稱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。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,該值會更高。聯(lián)合電子設(shè)備工程委員會(JEDEC)或評估模塊(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與按照封裝類型分類的線性穩(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看,線性穩(wěn)壓器并非可行的方案。采用開關(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,可以采用一臺二級濾波器,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:帶二級濾波器的LMZM23601
圖?4:帶二級濾波器的LMZM23601輸出電壓紋波
對于要滿足緊湊板空間要求的工業(yè)傳感器來說,開關(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)具有開關(guān)穩(wěn)壓器的效率。
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