淺談開關穩壓電源和線性穩壓電源

穩壓電源

穩壓電源（stabilized voltage supply）是能為負載提供穩定的交流電或直流電的電子裝置，包括交流穩壓電源和直流穩壓電源兩大類。

當電網電壓或負載出現瞬間波動時，穩壓電源會以10-30ms的響應速度對電壓幅值進行補償，使其穩定在±2%以內。

主要功能

穩定電壓

當電網電壓或負載出現瞬間波動時，穩壓電源會以10-30ms的響應速度對電壓幅值進行補償，使其穩定在±2%以

內。

多功能綜合保護

穩壓器除了最基本的穩定電壓功能以外，還應具有過壓保護（超過輸出電壓的+10%）、欠壓保護（低于輸出電壓的-10%）、缺相保護、短路過載保護最基本的保護功能。

尖脈沖抑制

電網有時會出現幅值很高，脈寬很窄的尖脈沖，它會擊穿耐壓較低的電子元件。穩壓電源的抗浪涌組件能夠對這樣的尖脈沖起到很好的抑制作用。

隔離傳導性EMI電磁干擾（可選）：

數控設備多采用AC/DC整流+PFC高頻功率因數校正，自身有一定的干擾性同時對干擾源也有嚴格要求。穩壓電源的濾波組件能夠有效隔離電網對設備的干擾同時也能有效隔離設備對電網的干擾。

防雷

應具有的防雷擊能力。

工作原理

工頻交流電源經過變壓器降壓、 整流、濾波后成為一穩定的直流電。圖中其余部分是起電壓調節，實現穩壓作

用的控制部分。電源接上負載后，通過采樣電路獲得輸出電壓，將此輸出電壓和基準電壓進行比較。如果輸出電壓小于基準電壓，則將誤差值經過放大電路放大后送入調節器的輸入端，通過調節器調節使輸出電壓增加，直到和基準值相等；如果輸出電壓大于基準電壓，則通過調節器使輸出減小。

穩壓器電路由電源電路、電壓檢測控制電路、過電壓保護組成，如圖所示。電源電路由調壓變壓器T的W4、W5繞組和整流二極管VDl-VD4、濾波電容器Cl、C2組成。電壓檢測控制電路由電阻器R-R7、電位器RPl、Rm、穩壓二極管VS、電容器C3、C4和運算放大器集成電路IC（Nl-N3）組成。過電壓保護電路由IC內部的N3、晶體管V3、電阻器Rl2和繼電器K組成。自動調壓電路由電阻器R8-Rll、晶體管Vl、V2、直流電動機M、滑動觸頭和T的Wl-W3繞組組成。將交流穩壓器的輸大端與市電相接后，在T的W4、W5繞組上產生了感應電壓。該電壓經VDl-VD4整流及Cl、C2濾波后，為IC和Vl、V2等提供 士l2V不穩定工作電壓。+l2V電壓還有其他作用。經Rl-R3分壓、VS穩壓后，分別為Nl-N3的反相輸入端提供基準電壓；為過電壓保護電路申的K和V3提供工作電源；經R4、RP2、R6分壓后，為Nl和N2的正相輸入端提供檢測電壓；經R7、RPl、R5分壓后，為N3的正相輸入端提供檢測電壓。

Nl-N3將正相輸大端的檢測電壓與反相輸大端的基準電壓進行比較，用產生的誤差電壓去控制自動調壓電路。

當市電電壓正常時，Nl和N2的輸出端電壓為OV，Vl和V2均處于截止狀態，電動機M不工作。

當市電電壓偏低時，Nl和N2輸出低電平，使V2導通，Vl截止，M逆時針旋轉，通過滑壁臂驅動滑動觸頭移動，與T相應的電壓抽頭接觸 （T的Wl、W2繞組共設置了21個電壓抽頭，每一檔的電壓調節范圍為5V），通過T的W2繞組來提升輸出電壓。當輸出交流電壓升至220V時，V2截止，M停轉。當市電電壓偏高時，Nl和N2均輸出高電平，使Vl導通，V2截止，M順時針旋轉，通過滑臂驅動滑動觸頭移動，與T相應的電壓抽頭接觸，通過T的Wl繞組來降低輸出電壓。當輸出交流電壓降至220V時，Vl截止，M停轉。當市電電壓偏高超過260V時，N3因正相輸入端電壓高于反相輸入端電壓而輸出低電平，使V3截止，，K釋放，其常閉觸頭接通交流電壓的輸出回路。當市電電壓為160-260V時，N3因正相輸入端電壓低于反相輸入端電壓而輸出高電平，使V3導通，K吸合，其常閉觸頭斷開，從而保證負載（用電器）不會因過電壓而損壞。 ［3］

選購

元器件選擇

R8和R9均選用lW金屬膜電阻器，其余各電阻器選用1/4W或l/2W金屬膜電阻器。

RPl和RP2均選用精密可變電阻器。

Cl-C4均選用耐壓值為16V的鋁電解電容器。

VDl-VD4均選用lN5404型硅整流二極管。

VS選用1/2W、6V的硅穩壓二極管，例如lN5233A或lN5995B等型號。

Vl選用DSl5或2SC2073型硅NPN晶體管；V2選用CSl5或2SA940型硅PNP晶體管；V3選用S805O或C8050型硅NPN晶體管。

IC選用LM324型運算放大集成電路。

M選用l2V直流電動機。

K選用JRX-l3F型l2V直流繼電器，使用時將其兩組常閉觸頭并聯，以增大電流負荷。

采用300-500W的電源變壓器改制。先計算出匝/伏比等有關數據后再進行繞制，每5V處取出一抽頭并作好標記。先繞Wl-W3繞組，后繞W4和W5繞組。將T各抽頭的外接點與滑臂的滑動觸頭分別裝在兩塊完全一樣的印制板上，粘合后對應連接?；蹫樯?、下兩片型式，印制板夾在其中間，使其在滑動時接觸良好?；凵晷难b上齒輪，電動機M通過齒輪變速后驅動滑臂移動。

電路調試

調試時，先將RPl和R陀的動觸頭調至中間位置，在交流穩壓器的輸入端接上一臺手動調壓器，在輸出端接上電壓表，調整調壓器使輸入交流電壓為220V，然后調節R陀的阻值，使M在輸出電壓為220V時停轉。

斷開M的引線 （滑動觸頭應接在-220V處），調整RPl，使輸人電壓調至230V時，K立即吸合即可。

根據調整管的工作狀態，我們常把穩壓電源分成兩類：線性穩壓電源和開關穩壓電源。

線性穩壓電源，是指調整管工作在線性狀態下的穩壓電源。而在開關電源中則不一樣，開關管（在開關電源中，我們一般把調整管叫做開關管）是工作在開、關兩種狀態下的：開——電阻很??；關——電阻很大。

開關電源是一種比較新型的電源。它具有效率高，重量輕，可升、降壓，輸出功率大等優點。但是由于電路工作在開關狀態，所以噪聲比較大。 通過下圖，我們來簡單的說說降壓型開關電源的工作原理。如圖所示，電路由開關K（實際電路中為三極管或者場效應管），續流二極管D，儲能電感L，濾波電容C等構成。當開關閉合時，電源通過開關K、電感L給負載供電，并將部分電能儲存在電感L以及電容C中。由于電感L的自感，在開關接通后，電流增大得比較緩慢，即輸出不能立刻達到電源電壓值。一定時間后，開關斷開，由于電感L的自感作用（可以比較形象的認為電感中的電流有慣性作用），將保持電路中的電流不變，即從左往右繼續流。這電流流過負載，從地線返回，流到續流二極管D的正極，經過二極管D，返回電感L的左端，從而形成了一個回路。通過控制開關閉合跟斷開的時間（即PWM——脈沖寬度調制），就可以控制輸出電壓。如果通過檢測輸出電壓來控制開、關的時間，以保持輸出電壓不變，這就實現了穩壓的目的。

在開關閉合期間，電感存儲能量；在開關斷開期間，電感釋放能量，所以電感L叫做儲能電感。二極管D在開關斷開期間，負責給電感L提供電流通路，所以二極管D叫做續流二極管。

在實際的開關電源中，開關K由三極管或場效應管代替。當開關斷開時，電流很??；當開關閉合時，電壓很小，所以發熱功率U×I就會很小。這就是開關電源效率高的原因。

看過完兩個關于電源的FAQ后，大家可能對電源的效率計算還不了解。在后面的FAQ中，我們將專門給大家介紹。

常見的用于開關電源的芯片有：TL494，LM2575，LM2673，34063，51414等等。

根據調整管的工作狀態，我們常把穩壓電源分成兩類：線性穩壓電源和開關穩壓電源。此外，還有一種使用穩壓管的小電源。

這里說的線性穩壓電源，是指調整管工作在線性狀態下的直流穩壓電源。調整管工作在線性狀態下，可這么來理解：RW（見下面的分析）是連續可變的，亦即是線性的。而在開關電源中則不一樣，開關管（在開關電源中，我們一般把調整管叫做開關管）是工作在開、關兩種狀態下的：開——電阻很??；關——電阻很大。工作在開關狀態下的管子顯然不是線性狀態。

線性穩壓電源是比較早使用的一類直流穩壓電源。線性穩壓直流電源的特點是：輸出電壓比輸入電壓低；反應速度快，輸出紋波較??；工作產生的噪聲低；效率較低（現在經?？吹?a target="_blank">LDO就是為了解決效率問題而出現的）；發熱量大（尤其是大功率電源），間接地給系統增加熱噪聲。

工作原理：我們先用下圖來說明線性穩壓電源調節電壓的原理。如下圖所示，可變電阻RW跟負載電阻RL組成一個分壓電路，輸出電壓為：

Uo=Ui×RL/（RW+RL），因此通過調節RW的大小，即可改變輸出電壓的大小。請注意，在這個式子里，如果我們只看可調電阻RW的值變化，Uo的輸出并不是線性的，但如果把RW和RL一起看，則是線性的。還要注意，我們這個圖并沒有將RW的引出端畫成連到左邊，而畫在右邊。雖然這從公式上看并沒有什么區別，但畫在右邊，卻正好反映了“采樣”和“反饋”的概念----實際中的電源，絕大部分都是工作在采樣和反饋的模式下的，使用前饋方法很少，或就是用了，也只是輔助方法而已。

讓我們繼續：如果我們用一個三極管或者場效應管，來代替圖中的可變阻器，并通過檢測輸出電壓的大小，來控制這個“變阻器”阻值的大小，使輸出電壓保持恒定，這樣我們就實現了穩壓的目的。這個三極管或者場效應管是用來調整電壓輸出大小的，所以叫做調整管。

像圖1所示的那樣，由于調整管串聯在電源跟負載之間，所以叫做串聯型穩壓電源。相應的，還有并聯型穩壓電源，就是將調整管跟負載并聯來調節輸出電壓，典型的基準穩壓器TL431就是一種并聯型穩壓器。所謂并聯的意思，就是象圖2中的穩壓管那樣，通過分流來保證衰減放大管射極電壓的“穩定”，也許這個圖并不能讓你一下子看出它是“并聯”的，但細心一看，確實如此。不過，大家在此還要注意一下：此處的穩壓管，是利用它的非線性區工作的，因此，如果認為它是一個電源，它也是一個非線性電源。為了便于大家理解，回頭我們找一個理適合的圖來看，直到可以簡明地看懂為止。

由于調整管相當于一個電阻，電流流過電阻時會發熱，所以工作在線性狀態下的調整管，一般會產生大量的熱，導致效率不高。這是線性穩壓電源的一個最主要的一個缺點。想要更詳細的了解線性穩壓電源，請參看模擬電子線路教科書。這里我們主要是幫助大家理清這些概念以及它們之間的關系。

一般來說，線性穩壓電源由調整管、參考電壓、取樣電路、誤差放大電路等幾個基本部分組成。另外還可能包括一些例如保護電路，啟動電路等部分。下圖是一個比較簡單的線性穩壓電源原理圖（示意圖，省略了濾波電容等元件），取樣電阻通過取樣輸出電壓，并與參考電壓比較，比較結果由誤差放大電路放大后，控制調整管的導通程度，使輸出電壓保持穩定。

常用的線性串聯型穩壓電源芯片有：78XX系列（正電壓型），79XX系列（負電壓型）（實際產品中，XX用數字表示，XX是多少，輸出電壓就是多少。例如7805，輸出電壓為5V）；LM317（可調正電壓型），LM337（可調負電壓型）；1117（低壓差型，有多種型號，用尾數表示電壓值。如1117-3.3為3.3V，1117-ADJ為可調型）。

1.DC to DC包括boost（升壓）、buck（降壓）、 Boost/buck（升/降壓）和反相結構，具有高效率、高輸出電流、低靜態電流等特點，隨著集成度的提高，許多新型DC-DC 轉換器的外圍電路僅需電感和濾波電容；但該類電源控制器的輸出紋波和開關噪聲較大、成本相對較高。

2.LDO：低壓差線性穩壓器的突出優點是具有最低的成本，最低的噪聲和最低的靜態電流。它的外圍器件也很少，通常只有一兩個旁路電容。新型LDO可達到 以下指標：30μV 輸出噪聲、60dB PSRR、6μA 靜態電流及100mV 的壓差。LDO 線性穩壓器能夠實現這些特性的主要原因在于內部調整管采用了P 溝道場效應管，而不是通常線性穩壓器中的PNP 晶體管。P 溝道的場效應管不需要基極電流驅動，所以大大降低了器件本身的電源電流；另一方面，在采用PNP 管的結構中，為了防止PNP 晶體管進入飽和狀態降低輸出能力，必須保證較大的輸入輸出壓差；而P 溝道場效應管的壓差大致等于輸出電流與其導通電阻的乘積，極小的導通電阻使其壓差非常低。當系統中輸入電壓和輸出電壓接近時， LDO 是最好的選擇，可達到很高的效率。所以在將鋰離子電池電壓轉換為3V 電壓的應用中大多選用LDO，盡管電池最后放電能量的百分之十沒有使用，但是LDO 仍然能夠在低噪聲結構中提供較長的電池壽命。

什么是開關穩壓器？

開關穩壓器使用輸出級，重復切換“開”和“關”狀態，與能量存貯部件（電容器和感應器）一起產 生輸出電壓。它的調整是通過根據輸出電壓的反饋樣本來調整切換定時來實現的。在固定頻率的穩壓器中，通過調節開關電壓的脈沖寬度來調節切換定時 ？ 這就是所謂的 PWM 控制。在門控振蕩器或脈沖模式穩壓器中，開關脈沖的寬度和頻率保持恒定，但是，輸出開關的“開”或“關”由反饋控制。

根據開關和能量存貯部件的排列，產生的輸出電壓可以大于或小于輸入電壓，并且可以用一個穩壓器產生多個輸出電壓。在大多數情況下，在同樣的輸入電壓和輸出電壓要求下，脈沖（降壓）開關穩壓器比線性穩壓器轉換電源的效率更高。

什么是 LDO（低壓降）穩壓器？

LDO 是一種線性穩壓器。線性穩壓器使用在其線性區域內運行的晶體管或 FET，從應用的輸入電壓中減去超額的電壓，產生經過調節的輸出電壓。所謂壓降電壓，是指穩壓器將輸出電壓維持在其額定值上下 100mV 之內所需的輸入電壓與輸出電壓差額的最小值。正輸出電壓的 LDO（低壓降）穩壓器通常使用功率晶體管（也稱為傳遞設備）作為 PNP。這種晶體管允許飽和，所以穩壓器可以有一個非常低的壓降電壓，通常為 200mV 左右；與之相比，使用 NPN 復合電源晶體管的傳統線性穩壓器的壓降為 2V 左右。負輸出 LDO 使用 NPN 作為它的傳遞設備，其運行模式與正輸出 LDO 的 PNP設備類似。

更新的發展使用 CMOS 功率晶體管，它能夠提供最低的壓降電壓。使用 CMOS，通過穩壓器的唯一電壓壓降是電源設備負載電流的 ON 電阻造成的。如果負載較小，這種方式產生的壓降只有幾十毫伏。

線性穩壓器與開關穩壓器的比較如何？

線性電壓穩壓器開關電壓穩壓器

優點：優點：

簡單

輸出紋波電壓低

出色的 line 和負載穩壓

對負載和 line 的變化響應迅速

電磁干擾 （EMI） 低

效率高（降低了冷卻所需的源電源需求）

能夠處理較高的電源密度

拓撲學結果可用于傳遞單個或多個輸出電壓，大于或小于生成的輸出電壓

缺點：缺點：

效率低

如果需要冷卻設備，則要求較大的空間

輸出紋波電壓高

瞬時恢復時間較慢

產生電磁干擾（EMI）

LDO是低壓差的器件，因此，輸出多為固定電壓，否則失去了低壓差的意義，盡管輸入電壓可以在一定的范圍。

DCtoDC是電壓轉換，有升壓、降壓等，一般升壓電路的輸出電流不可能做大，而降壓的電流可以做得較大。

TI公司有各種上述電路，可以到TI公司的網站查，數據多數是英文的。其他公司的用得不多，不好說。

DC-DC，其實內部是先把DC直流電源轉變為交流電電源AC。通常是一種自激震蕩電路，所以外面需要電感等分立元件。

然后在輸出端再通過積分濾波，又回到DC電源。由于產生AC電源，所以可以很輕松的進行升壓跟降壓。兩次轉換，必然會產生損耗，這就是大家都在努力研究的如何提高DC-DC效率的問題。

LDO是low dropout regulator，意為低壓差線性穩壓器，是相對于傳統的線性穩壓器來說的。傳統的線性穩壓器，如78xx系列的芯片都要求輸入電壓要比輸出電壓高出 2v~3V以上，否則就不能正常工作。但是在一些情況下，這樣的條件顯然是太苛刻了，如5v轉3.3v，輸入與輸出的壓差只有1.7v，顯然是不滿足條件 的。針對這種情況，才有了LDO類的電源轉換芯片。生產LDO芯片的公司很多，常見的有ALPHA， Linear（LT）， Micrel， National semiconductor，TI等。