線性及開關式穩壓器性能比較及類型分析
2019-11-25
DCDC直流電源轉換器從字面上來看便可大致得知其主要作用是要作為不同電壓源需求轉換的, 從某一主要輸入電壓轉換到另一個所需求的電壓來提供給不同芯片所使用。
舉例來說, 一般汽車上所提供的電壓為12V, 但在不同的應用及不同的IC芯片則會有不同的工作電壓需求, DCDC轉換器是指將直流輸入電源轉換成另一直流輸出的裝置名稱。在應用上，通常有線性穩壓器 (Linear Regulator)，如圖1，或開關式穩壓器(Switching Regulator)，如圖2。
圖 1
圖 2
此次，主要針對的是開關式穩壓器進行介紹, 其主要轉換結構可分為三大類：
升壓型（輸出電壓>輸入電壓）；
降壓型（輸出電壓＜輸出入壓）；
升降壓型（輸入電壓＜ｏｒ＞輸出電壓）；
利用這三種電源轉換器就可以將大多數輸入的電壓轉換為我們所需要的各種電壓。
為何需要使用DCDC直流開關式穩壓器？在這之前讓我們先來了解一下線性穩壓器和開關式穩壓器一些特性上的差異比較。
從轉換時所產生的功率損失來看,
線性穩壓器的輸出/輸入功率損耗=(輸入電壓-輸出電壓)*輸出電流=灰色面積*輸出電流（如圖3）。
圖 3
開關式穩壓器輸出/輸入功率損耗=開關損失+導通損失=灰色面積部分（如圖4）。
圖 4
從以上的波形可明顯的看出，開關式穩壓器的工作損失大大地小于線性穩壓器。換而言之，開關式穩壓器的轉換效率高于線性穩壓器。而從電路結構上來看，開關式穩壓器則需要較多的外圍組件，所以其設計的復雜程度較線性穩壓器高出許多。所以在兩者的工特性上來說各有其優缺點及適合的應用。
如下表1是依據兩者的工作特性來做一些比較，也可以在選用穩壓器時作為參考。
表 1
通過以上的介紹, 我們知道DCDC開關式穩壓器大致有分為三種：降壓型，升壓型，升-降壓型。
以下先從基本電路設計方面，介紹了穩壓器基本原理。接著，在后續的文章中會再作深入的設計要領分享。
降壓型：
此轉換架構應該是目前在開關式穩壓器中普遍的。圖5是一個典型的異步式降壓轉換器。如果將二極管改為晶閘管, 則稱之為同步式降壓轉換器。在電路圖中, 利用控制PWM（脈波寬度調變）來控制傳送能量的大小，再到后端電感(L)及電容(C)作為能量轉移及濾波。而脈波的導通寬度則稱之為工作周期(Duty cycle)。所以用簡單的方式來說，當你知道輸入/輸出的電壓后, 便能知道其所需工作周期為：
圖 5
升壓型：
此轉換器通常應用在輸入電壓降到很低的時候，某些芯片仍需維持工作狀態一段時間，或是其輸入電壓小于芯片的工作電壓，所以只能用升壓轉換器來將電壓推升至所需的安全工作區間。如圖6是一個標準的升壓電路。其主要是由PWM關閉時，透過電感L電壓反向時加上輸入電壓來作輸出電壓的提升
其脈波的導通工作周期公式如下：
圖 6
升降壓型：
當輸入電壓變動范圍是較大的，工作條件下可能高于或低于輸出電壓（例如放電中的電池），此時升/降壓轉換器 (Buck-boost) 是完好的電源轉換器方案。
升/降壓轉換器依據輸入電壓和輸出電壓間的差異，其PWM控制模式則會自動切換為降壓模式 (Buck) 或升壓模式 (Boost)。由于其結合了 Buck和boost 的模式，所以車載電池供電的應用是非常適合的應用。在電池充滿電的高電平狀態，可使用降壓模式穩定輸出的電壓；在電池電力快耗盡的低電平狀態，可以在升壓的模式提供固定的輸出電壓。
在以上介紹中，對線性穩壓器和各開關式穩壓器在性能上進行了比較。希望借此，對大家在穩壓器的選擇上能有所幫助，也能在系統的優化及設計過程中可以針對每種穩壓器的特性作更好的配置。
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摘自 英飛凌汽車電子生態圈
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