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线性稳压器与切换式转换器的适用时机
 

【作者: Max Hu】2007年09月20日 星期四

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线性稳压器与切换式转换器都能应用在高输入电压转低输出电压的场合,不过特性上的差异将左右负载端电源质量,应用电路的不同也影响设计成本,如何利用最低的成本达到最高的效能应是工程师们共同努力的目标。


先对线性稳压器作简单的说明。如图(一),利用电阻器分压就能做到电压转换,但由于是固定电阻,Vout电压会随着负载变化;如图(二),将R1更改成可变电阻(VR)则可维持Vout电压不变,这时R2就可以是非常大的电阻,主要作用是维持无载时的输出电压;如图(三),加入回授控制器,VR电阻就能依Vout电压变化作改变,这就是线性稳压器的雏形(实际的线性稳压器会以晶体管取代可变电阻,利用电压或电流讯号控制晶体管导通的程度)。


《图二 》
《图二 》
《图三 》
《图三 》

从图(三)归纳线性稳压器的基本特性:


(1)利用VR电阻作功率调节,使得Vin输入电源有部份功率消耗在VR上,故输入电压与输出电压差距愈大时稳压器的效率也愈差。


(2)VR与R2通常存在于集成电路芯片当中,因此线性稳压器有散热的问题。


(3)多数情况下回授控制器能实时改变Vout,可应付快速的负载变动。


(4)因为VR电阻为线性改变,故Vout输出端具有极低的电压噪声。


再来对切换式转换器作简单的说明。如图(四),利用开关方式也能作到功率调节,只有开关导通时才传送功率至负载,输出端平均功率受到开关时间限制;如图(五),为了减缓输出端电压随着开关变化,以电容器稳定电压,并以电感器稳定电流;如图(六),加入回授控制器,侦测输出电压而改变开关导通时间,这就是切换式转换器的雏形。


《图五 》
《图五 》
《图六 》
《图六 》

从图(六)归纳切换式转换器的基本特性:


(1)利用开关作功率调节,额外的功率损失小,效率高。


(2)电感器与电容器无法存在于集成电路芯片中,故需要较多的外部组件。


(3)受到电感器与电容器的影响,令回授控制器实时动作仍无法避免系统反应延迟。


(4)开关切换对电路具有较大的高频干扰(EMI),除了输出端电压噪声较大外,回授控制也具有高复杂度。


为突显两种电源转换器的差异,选择了条件类似的两个电源转换芯片作比较,分别是G966线性稳压芯片与G5626切换式转换芯片,应用电路如图(七)与图(八)


《图七 G966应用电路》
《图七 G966应用电路》

《图八 G5626应用电路》
《图八 G5626应用电路》

(注1:G966 ADJ接脚接地时为默认输出电压1.2v,且能以R2、R3分压电阻调整输出电压。)


效率上的比较

从图(九)能明显看到线性稳压器在高转压比(输入电压与输出电压的差距)的应用非常不理想,5v电源供应1.2v 0.8A负载,其中约有3W消耗在电阻调节器上,除了效率差之外还造成芯片发热,一般线性稳压器为防止芯片过热烧毁会有热保护机制(Thermal Shutdown),这时G966因过热保护而无法提供0.8A以上的负载电流,需要更积极的方式散热,如风扇;反观切换式转换器效率就高出许多,因为开关的损耗远比线性稳压器小得多。


如图(十),降低转压比就有不同的结果,负载电流100mA以下的线性稳压器效率比切换式转换器要高得多,因为G5626采用固定频率的脉波宽度调变(PWM)机制,轻载时的开关损耗会变得可观;为避免轻载时的开关损耗过大,某些控制芯片会加入脉波频率调变(PFM)机制,以提升轻载时的效率。


(注2:5v转4.7v的测试中,线性稳压器与切换式转换器使用相同的回授分压电阻,R2=87kΩ、R3=18kΩ。)


《图九 5v转1.2v效率曲线》
《图九 5v转1.2v效率曲线》
《图十 5v转4.7v的效率曲线》
《图十 5v转4.7v的效率曲线》

温度上的比较

由热像图来看,线性稳压器的温度都比切换式转换器要高,因此散热问题对线性稳压器而言格外重要,SOP8封装的G966就具有外露焊垫(exposed pad)供散热。由于芯片的外露焊垫通常与地平面(ground plane)相连,热量会经由印刷电路板(PCB)向四周扩散,因此线性稳压器四周的组件容易受温度影响,电路布局时须特别留意热敏感组件。


(注3:热像图内之数字为芯片表面摄氏温度。)


《图十一 线性稳压器5v转1.2v 0.7A热影像图》
《图十一 线性稳压器5v转1.2v 0.7A热影像图》
《图十二 切换式转换器5v转1.2v 0.7A热影像图》
《图十二 切换式转换器5v转1.2v 0.7A热影像图》
《图十三 线性稳压器5v转4.7v 1A热影像图》
《图十三 线性稳压器5v转4.7v 1A热影像图》
《图十四 切换式转换器5v转4.7v 1A热影像图》
《图十四 切换式转换器5v转4.7v 1A热影像图》

反应速度与输出电压噪声的比较

《图十五 线性稳压器的负载变动影响》
《图十五 线性稳压器的负载变动影响》
《图十六 切换式转换器的负载变动影响》
《图十六 切换式转换器的负载变动影响》

图(十五)与图(十六)是在5v转2.5v的环境下测得(输出电容器同为22uF),因切换式转换器应用电路上的输出电感器与电容器会降低系统反应速度,故线性稳压器的系统反应会比较快。另外也可约略的看出输出电压的涟波噪声(ripple noise),切换式转换器的噪声比线性稳压器要大。


价格与空间上的比较

《图十八 切换式转换器印刷电路板布局》
《图十八 切换式转换器印刷电路板布局》

从图(十七)与图(十八)来看,为提供线性稳压器良好的散热,印刷电路板必须规划足够的铜箔面积(若为多层印刷电路板,则为散热所占用的面积将大幅缩小),而切换式转换器虽没有散热考虑,但外部组件数量多,比较占空间。


价格上无疑的切换式转换器比较昂贵,不论是芯片本身或是被动组件的成本都比线性稳压器要高,而较多的外部组件还容易因零件故障导致电路异常,若连测试、维修成本也计算在内,则使用切换式转换器的花费远比线性稳压器昂贵。


结论

将以上比较作整理得到底下结论:


(1)高转压比 > 切换式转换器


(2)低转压比 > 经常性满载 > 切换式转换器


经常性轻载 > 线性稳压器


(3)低输出噪声 > 高转压比 > 经常性满载 > 切换式转换器


经常性轻载 > 线性稳压器


(3)低输出噪声 > 高转压比 > 经常性满载 > 切换式转换器


(4)空间受限 > 高转压比 > 切换式转换器


(3)低输出噪声 > 高转压比 > 经常性满载 > 切换式转换器


(4)空间受限 > 高转压比 > 切换式转换器


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