CTIMES / 文章 / 線性穩壓器與切換式轉換器的適用時機   【作者： Max Hu】   2007年09月20日 星期四 瀏覽人次：【6566】 線性穩壓器與切換式轉換器都能應用在高輸入電壓轉低輸出電壓的場合，不過特性上的差異將左右負載端電源品質，應用電路的不同也影響設計成本，如何利用最低的成本達到最高的效能應是工程師們共同努力的目標。 先對線性穩壓器作簡單的說明。如圖(一)，利用電阻器分壓就能做到電壓轉換，但由於是固定電阻，Vout電壓會隨著負載變化；如圖(二)，將R1更改成可變電阻(VR)則可維持Vout電壓不變，這時R2就可以是非常大的電阻，主要作用是維持無載時的輸出電壓；如圖(三)，加入迴授控制器，VR電阻就能依Vout電壓變化作改變，這就是線性穩壓器的雛形(實際的線性穩壓器會以電晶體取代可變電阻，利用電壓或電流訊號控制電晶體導通的程度)。 《圖二　 》 《圖三　》 從圖(三)歸納線性穩壓器的基本特性： （1）利用VR電阻作功率調節，使得Vin輸入電源有部份功率消耗在VR上，故輸入電壓與輸出電壓差距愈大時穩壓器的效率也愈差。 （2）VR與R2通常存在於積體電路晶片當中，因此線性穩壓器有散熱的問題。 （3）多數情況下迴授控制器能即時改變Vout，可應付快速的負載變動。 （4）因為VR電阻為線性改變，故Vout輸出端具有極低的電壓雜訊。 再來對切換式轉換器作簡單的說明。如圖(四)，利用開關方式也能作到功率調節，只有開關導通時才傳送功率至負載，輸出端平均功率受到開關時間限制；如圖(五)，為了減緩輸出端電壓隨著開關變化，以電容器穩定電壓，並以電感器穩定電流；如圖(六)，加入迴授控制器，偵測輸出電壓而改變開關導通時間，這就是切換式轉換器的雛形。 《圖五　 》

《圖六　 》

從圖(六)歸納切換式轉換器的基本特性：

（1）利用開關作功率調節，額外的功率損失小，效率高。

（2）電感器與電容器無法存在於積體電路晶片中，故需要較多的外部元件。

（3）受到電感器與電容器的影響，令迴授控制器即時動作仍無法避免系統反應延遲。

（4）開關切換對電路具有較大的高頻干擾(EMI)，除了輸出端電壓雜訊較大外，迴授控制也具有高複雜度。

為突顯兩種電源轉換器的差異，選擇了條件類似的兩個電源轉換晶片作比較，分別是G966線性穩壓晶片與G5626切換式轉換晶片，應用電路如圖(七)與圖(八)

《圖七　 G966應用電路》

《圖八　 G5626應用電路》

（註1：G966 ADJ接腳接地時為預設輸出電壓1.2v，且能以R2、R3分壓電阻調整輸出電壓。）

效率上的比較

從圖(九)能明顯看到線性穩壓器在高轉壓比(輸入電壓與輸出電壓的差距)的應用非常不理想，5v電源供應1.2v 0.8A負載，其中約有3W消耗在電阻調節器上，除了效率差之外還造成晶片發熱，一般線性穩壓器為防止晶片過熱燒毀會有熱保護機制(Thermal Shutdown)，這時G966因過熱保護而無法提供0.8A以上的負載電流，需要更積極的方式散熱，如風扇；反觀切換式轉換器效率就高出許多，因為開關的損耗遠比線性穩壓器小得多。

如圖(十)，降低轉壓比就有不同的結果，負載電流100mA以下的線性穩壓器效率比切換式轉換器要高得多，因為G5626採用固定頻率的脈波寬度調變(PWM)機制，輕載時的開關損耗會變得可觀；為避免輕載時的開關損耗過大，某些控制晶片會加入脈波頻率調變(PFM)機制，以提升輕載時的效率。

（註2：5v轉4.7v的測試中，線性穩壓器與切換式轉換器使用相同的迴授分壓電阻，R2=87kΩ、R3=18kΩ。）

《圖九　5v轉1.2v效率曲線》

《圖十　5v轉4.7v的效率曲線》

溫度上的比較

由熱像圖來看，線性穩壓器的溫度都比切換式轉換器要高，因此散熱問題對線性穩壓器而言格外重要，SOP8封裝的G966就具有外露焊墊(exposed pad)供散熱。由於晶片的外露焊墊通常與地平面(ground plane)相連，熱量會經由印刷電路板(PCB)向四周擴散，因此線性穩壓器四周的元件容易受溫度影響，電路佈局時須特別留意熱敏感元件。

（註3：熱像圖內之數字為晶片表面攝氏溫度。）

《圖十一　 線性穩壓器5v轉1.2v 0.7A熱影像圖》

《圖十二　 切換式轉換器5v轉1.2v 0.7A熱影像圖》

《圖十三　 線性穩壓器5v轉4.7v 1A熱影像圖》

《圖十四　 切換式轉換器5v轉4.7v 1A熱影像圖》

反應速度與輸出電壓雜訊的比較

《圖十五　線性穩壓器的負載變動影響》

《圖十六　切換式轉換器的負載變動影響》

圖(十五)與圖(十六)是在5v轉2.5v的環境下測得(輸出電容器同為22uF)，因切換式轉換器應用電路上的輸出電感器與電容器會降低系統反應速度，故線性穩壓器的系統反應會比較快。另外也可約略的看出輸出電壓的漣波雜訊(ripple noise)，切換式轉換器的雜訊比線性穩壓器要大。

價格與空間上的比較

《圖十八　 切換式轉換器印刷電路板佈局》