线性稳压器和开关模式电源的基本概念

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1、大连交通大学2014届本科毕业设计（论文）外文翻译线性稳压器和开关模式电源的基本概念本文阐述了线性稳压器和开关模式电源(SMPS)的基本概念。目的是针对那些对电源设计和选择可能不很熟悉的系统工程师。文章说明了线性稳压器和SMPS的基本工作原理，并讨论了每种解决方案的优势和劣势。以降压型转换器为例进一步解释了开关稳压器的设计考虑因素。引言如今电子系统中有越来越多的电源轨和电源解决方案设计，且负载范围从几mA(用于待机电源)到100A以上(用于ASIC电压调节器)。工程师必需选择针对目标应用的合适解决方案并满足规定的性能要求，例如：高效率、紧凑的印刷电路板(PCB)空间、准确的输出调节、快

2、速瞬态响应、低解决方案成本等。对于系统设计师来说，电源管理设计正成为一项日益频繁和棘手的工作，而他们当中许多人可能并没有很强的电源技术背景。电源转换器利用一个给定的输入电源来产生用于负载的输出电压和电流。其必需在稳态和瞬态情况下满足负载电压或电流调节要求。另外，它还必须在组件发生故障时对负载和系统提供保护。视具体应用的不同，设计师可以选择线性稳压器(LR)或开关模式电源(SMPS)解决方案。为了选择最合适的解决方案，设计师应熟知每种方法的优点、不足和设计关注点。本文将着重讨论非隔离式电源应用，并针对其工作原理和设计的基本知识作相关介绍。线性稳压器线性稳压器的工作原理我们从一个简单的例子

3、开始。在嵌入式系统中，可从前端电源提供一个12V总线电压轨。在系统板上，需要一个3.3V电压为一个运算放大器(运放)供电。产生3.3V电压最简单的方法是使用一个从12V总线引出的电阻分压器，如图1所示。这种做法效果好吗？回答常常是“否”。在不同的工作条件下，运放的VCC引脚电流可能会发生变化。假如采用一个固定的电阻分压器，则ICVCC电压将随负载而改变。此外，12V总线输入还有可能未得到良好的调节。在同一个系统中，也许有很多其他的负载共享12V电压轨。由于总线阻抗的原因，12V总线电压会随着总线负载情况的变化而改变。因此，电阻分压器不能为运放提供一个用于确保其正确操作的3.3V稳定电压

4、。于是，需要一个专用的电压调节环路。如图2所示，反馈环路必需调整顶端电阻器R1的阻值以动态地调节VCC上的3.3V。大连交通大学2014届本科毕业设计（论文）外文翻译图1：电阻分压器采用12V总线输入产生3.3VDC。图2：反馈环路调整串联电阻器R1的阻值以调节3.3V。此类可变电阻器可利用一个线性稳压器来实现，如图3所示。线性稳压器使一个双极性或场效应功率晶体管(FET)在其线性模式中运作。这样，晶体管起的作用就是一个与输出负载相串联的可变电阻器。从概念上说，如需构建反馈环路，可由一个误差放大器利用一个采样电阻器网络(RA和RB)来检测DC输出电压，然后将反馈电压VFB与一个基准电压

5、VREF进行比较。误差放大器输出电压通过一个电流放大器驱动串联功率晶体管的基极。当输入VBUS电压下降或负载电流增大时，VCC输出电压下降。反馈电压VFB也将下降。因此，反馈误差放大器和电流放大器产生更多的电流并输入晶体管Q1的基极。这将减小电压降VCE，因而使VCC输出电压恢复，这样一来VFB=VREF。另一方面，如果VCC输出电压上升，则负反馈电路采取相似的方式增加VCE以确保3.3V输出的准确调节。总之，VO的任何变化都被线性稳压器晶体管的VCE电压所消减。所以，输出电压VCC始终恒定并处于良好调节状态。大连交通大学2014届本科毕业设计（论文）外文翻译图3：线性稳压器可实现一个

6、可变电阻器以调节输出电压。为什么采用线性稳压器？长期以来，线性稳压器一直得到业界的广泛采用。在开关模式电源于上世纪60年代后成为主流之前，线性稳压器曾经是电源行业的基础。即使在今天，线性稳压器仍然在众多的应用中广为使用。除了简单易用之外，线性稳压器还拥有其他的性能优势。电源管理供应商开发了许多集成型线性稳压器。典型的集成线性稳压器只需要VIN、VOUT、FB和任选的GND引脚。图4示出了一款典型的3引脚线性稳压器LT1083，它是凌力尔特公司在20多年前开发的。该器件仅需一个输入电容器、输出电容器和两个反馈电阻器以设定输出电压。几乎所有的电气工程师都可以运用这些简单的线性稳压器来设计电

7、源。图4：集成型线性稳压器实例：只有3个引脚的7.5A线性稳压器。一个缺点——线性稳压器会消耗大量的功率采用线性稳压器的一个主要缺点是其运行于线性模式之串联晶体管Q1大连交通大学2014届本科毕业设计（论文）外文翻译会有过大功率耗散。如前文所述，线性稳压器从概念上讲是一个可变电阻器。由于所有的负载电流都必须经过串联电阻器，故其功率耗散为PLOSS=(VIN–VO)•IO。在该场合中，线性稳压器的效率可由下式快速估算：于是在图1所示的例子中，当输