LDO三端稳压器开关电源和线性电源演示教学

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。LDO三端稳压器开关电源和线性电源-以下主要通过其实物体积、电源转换效率和电源稳定性三方面来比较和分析。LDO:lowdropoutregulator低压差线性稳压器LDO的四大要素压差Dropout、噪音Noise、HYPERLINK/view/291168.htmt_blank电源抑制比（PSRR）、静态电流Iq，这是LDO的四大关键数据。HYPERLINK/view/3475850.htmt_blank产品设计师按产品负载对电性能的要求结合四大要素来选择LDO。在手机上用的LDO要求尽可能小的噪音

2、（纹波），在没有RF的便携式产品需求静态电流小的LDO。LDO的工作条件Vin=Vdrop+Vout。且一般需要两个外接电容：Cin、Cout，一般采用钽电容或MLCC。注意：LDO是稳压器简单说，控制器件工作于线性状态的电源是线性电源，控制器件工作于非线性状态(开关工作状态)的电源是开关电源。是开关电源：是线性电源：线性电源的调整管工作在放大状态，因而发热量大，效率低（35%左右），需要加体积庞大的散热片，而且还需要同样也是大体积的工频变压器，当要制作多组电压输出时变压器会更庞大。开关电源的调整管工作在饱和和截至状态，因而发热量小，效率高（75以上）而且省掉了大体积的变压器。但开关电源输出的

3、直流上面会叠加较大的纹波（50mVat5Voutputtypical），在输出端并接稳压二极管可以改善，另外由于开关管工作是会产生很大的尖峰脉冲干扰，也需要在电路中串连磁珠加以改善。相对而言线性电源就没有以上缺陷，它的纹波可以做的很小（5mV以下）。对于电源效率和安装体积有要求的地方用开关电源为佳，对于电磁干扰和电源纯净性有要求的地方（例如电容漏电检测）多选用线性电源。另外当电路中需要作隔离的时候现在多数用DCDC来做对隔离部分供电（DC-DC从其工作原理上来说就是开关电源）。还有，开关电源中用到的高频变压器可能绕制起来比较麻烦。一、线性电源的原理线性电源主要包括工频变压器、输出整流滤波器、控

4、制电路、保护电路等。如图1。图1线性电源是先将交流电经过变压器变压，再经过整流电路整流滤波得到未稳定的直流电压，要达到高精度的直流电压，必须经过电压反馈调整输出电压，这种电源技术很成熟，可以达到很高的稳定度，波纹也很小，而且没有开关电源具有的干扰与噪音。但是它的缺点是需要庞大而笨重的变压器，所需的滤波电容的体积和重量也相当大，而且电压反馈电路是工作在线性状态，调整管上有一定的电压降，在输出较大工作电流时，致使调整管的功耗太大，转换效率低，还要安装很大的散热片。这种电源不适合计算机等设备的需要，将逐步被开关电源所取代。二、开关电源的原理：开关电源主要包括输入电网滤波器、输入整流滤波器、逆变器、输

5、出整流滤波器、控制电路、保护电路。如图2。图2它们的功能是：1输入电网滤波器：消除来自电网，如电动机的启动、电器的开关、雷击等产生的干扰，同时也防止开关电源产生的高频噪声向电网扩散。2输入整流滤波器：将电网输入电压进行整流滤波，为变换器提供直流电压。3逆变器：是开关电源的关键部分。它把直流电压变换成高频交流电压，并且起到将输出部分与输入电网隔离的作用。4输出整流滤波器：将变换器输出的高频交流电压整流滤波得到需要的直流电压，同时还防止高频噪声对负载的干扰。5控制电路：检测输出直流电压，并将其与基准电压比较，进行放大。调制振荡器的脉冲宽度，从而控制变换器以保持输出电压的稳定。6保护电路：当开关电源

6、发生过电压、过电流短路时，保护电路使开关电源停止工作以保护负载和电源本身。开关电源是将交流电先整流成直流电，在将直流逆变成交流电，在整流输出成所需要的直流电压。这样开关电源省去下线性电源中的变压器，以及电压反馈电路。而开关电源中的逆变电路完全是数字调整，同样能达到非常高的调整精度。开关电源的主要优点：体积小、重量轻（体积和重量只有线性电源的2030%）、效率高（一般为6070%，而线性电源只有3040%）、自身抗干扰性强、输出电压范围宽、模块化。开关电源的主要缺点：由于逆变电路中会产生高频电压，对周围设备有一定的干扰。需要良好的屏蔽及接地。三、圈圈-线性稳压电源根据调整管的工作状态，我们常把稳

7、压电源分成两类：线性稳压电源和开关稳压电源。此外，还有一种使用稳压管的小电源。这里说的线性稳压电源，是指调整管工作在线性状态下的直流稳压电源。调整管工作在线性状态下，可这么来理解：RW（见下面的分析）是连续可变的，亦即是线性的。而在开关电源中则不一样，开关管（在开关电源中，我们一般把调整管叫做开关管）是工作在开、关两种状态下的：开电阻很小；关电阻很大。工作在开关状态下的管子显然不是线性状态。线性稳压电源是比较早使用的一类直流稳压电源。线性稳压直流电源的特点是：输出电压比输入电压低；反应速度快，输出纹波较小；工作产生的噪声低；效率较低(现在经常看的LDO就是为了解决效率问题而出现的)；发热量大（

8、尤其是大功率电源），间接地给系统增加热噪声。工作原理：我们先用下图来说明线性稳压电源调节电压的原理。如下图所示，可变电阻RW跟负载电阻RL组成一个分压电路，输出电压为：Uo=UiRL/(RW+RL)，因此通过调节RW的大小，即可改变输出电压的大小。请注意，在这个式子里，如果我们只看可调电阻RW的值变化，Uo的输出并不是线性的，但如果把RW和RL一起看，则是线性的。还要注意，我们这个图并没有将RW的引出端画成连到左边，而画在右边。虽然这从公式上看并没有什么区别，但画在右边，却正好反映了“采样”和“反馈”的概念-实际中的电源，绝大部分都是工作在采样和反馈的模式下的，使用前馈方法很少，或就是用了，也

9、只是辅助方法而已。让我们继续：如果我们用一个三极管或者场效应管，来代替图中的可变阻器，并通过检测输出电压的大小，来控制这个“变阻器”阻值的大小，使输出电压保持恒定，这样我们就实现了稳压的目的。这个三极管或者场效应管是用来调整电压输出大小的，所以叫做调整管。像图1所示的那样，由于调整管串联在电源跟负载之间，所以叫做串联型稳压电源。相应的，还有并联型稳压电源，就是将调整管跟负载并联来调节输出电压，典型的基准稳压器TL431就是一种并联型稳压器。所谓并联的意思，就是象图2中的稳压管那样，通过分流来保证衰减放大管射极电压的“稳定”，也许这个图并不能让你一下子看出它是“并联”的，但细心一看，确实如此。不

10、过，大家在此还要注意一下：此处的稳压管，是利用它的非线性区工作的，因此，如果认为它是一个电源，它也是一个非线性电源。为了便于大家理解，回头我们找一个理适合的图来看，直到可以简明地看懂为止。由于调整管相当于一个电阻，电流流过电阻时会发热，所以工作在线性状态下的调整管，一般会产生大量的热，导致效率不高。这是线性稳压电源的一个最主要的一个缺点。想要更详细的了解线性稳压电源，请参看模拟电子线路教科书。这里我们主要是帮助大家理清这些概念以及它们之间的关系。图1一般来说，线性稳压电源由调整管、参考电压、取样电路、误差放大电路等几个基本部分组成。另外还可能包括一些例如保护电路，启动电路等部分。下图是一个比较

11、简单的线性稳压电源原理图（示意图，省略了滤波电容等元件），取样电阻通过取样输出电压，并与参考电压比较，比较结果由误差放大电路放大后，控制调整管的导通程度，使输出电压保持稳定。图2常用的线性串联型稳压电源芯片有：78XX系列（正电压型），79XX系列（负电压型）（实际产品中，XX用数字表示，XX是多少，输出电压就是多少。例如7805，输出电压为5V）；LM317（可调正电压型），LM337（可调负电压型）；1117（低压差型，有多种型号，用尾数表示电压值。如1117-3.3为3.3V，1117-ADJ为可调型）。四、圈圈开关稳压电源线性稳压电源，是指调整管工作在线性状态下的稳压电源。而在开关电源

12、中则不一样，开关管（在开关电源中，我们一般把调整管叫做开关管）是工作在开、关两种状态下的：开电阻很小；关电阻很大。开关电源是一种比较新型的电源。它具有效率高，重量轻，可升、降压，输出功率大等优点。但是由于电路工作在开关状态，所以噪声比较大。通过下图，我们来简单的说说降压型开关电源的工作原理。如图所示，电路由开关K（实际电路中为三极管或者场效应管），续流二极管D，储能电感L，滤波电容C等构成。当开关闭合时，电源通过开关K、电感L给负载供电，并将部分电能储存在电感L以及电容C中。由于电感L的自感，在开关接通后，电流增大得比较缓慢，即输出不能立刻达到电源电压值。一定时间后，开关断开，由于电感L的自感

13、作用（可以比较形象的认为电感中的电流有惯性作用），将保持电路中的电流不变，即从左往右继续流。这电流流过负载，从地线返回，流到续流二极管D的正极，经过二极管D，返回电感L的左端，从而形成了一个回路。通过控制开关闭合跟断开的时间（即PWM脉冲宽度调制），就可以控制输出电压。如果通过检测输出电压来控制开、关的时间，以保持输出电压不变，这就实现了稳压的目的。在开关闭合期间，电感存储能量；在开关断开期间，电感释放能量，所以电感L叫做储能电感。二极管D在开关断开期间，负责给电感L提供电流通路，所以二极管D叫做续流二极管。在实际的开关电源中，开关K由三极管或场效应管代替。当开关断开时，电流很小；当开关闭合时

14、，电压很小，所以发热功率UI就会很小。这就是开关电源效率高的原因。看过完两个关于电源的FAQ后，大家可能对电源的效率计算还不了解。在后面的FAQ中，我们将专门给大家介绍。常见的用于开关电源的芯片有：TL494，LM2575，LM2673，34063，51414等等。电源是各种电子设备必不可缺少的组成部分，其性能的优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作。目前常用的直流HYPERLINK/cgi-bin/seinterface.cgi?word=稳压电源t_blank稳压电源分线性电源和HYPERLINK/cgi-bin/seinterface.cgi?word=开关电源t_blan

15、k开关电源两大类，由于开关电源内部关键元器件工作在高频开关状态，本身消耗的能量很低，开关电源效率可达8090，比普通线性稳压电源提高近一倍，目前已成为稳压电源的主流产品。2开关稳压电源的结构图(1)画出了开关稳压电源的原理图及等效原理框图，它是由全波整流器，开关管Vi，激励信号，续流二极管VD，储能电感和滤波电容C组成。实际上，开关稳压电源的核心部分是一个直流变压器。这里我们对直流变换器和逆变器作如下解释。逆变器，它是把直流转变为交流的装置。逆变器通常被广泛地应用在采用电平或HYPERLINK/cgi-bin/seinterface.cgi?word=电池t_blank电池组成的备用电源中。直

16、流变换器，它是把直流转换成交流，然后又把交流转换成直流的装置。这种装置被广泛地应用在开关稳压电源中。采用直流变换器可以把一种直流供电电压变换成极性、数值各不同的多种直流供电电压。3开关稳压电源的优点和缺点3.1开关稳压电源的优点功耗小，效率高。在图(1)中的开关稳压电源电路中，晶体管V在激励信号的激励下，它交替地工作在导通截止和截止导通的开关状态，转换速度很快，频率一般为50kHz左右，在一些技术先进的国家，可以做到几百或者近1000kHz。这使得开关晶体管V的功耗很小，电源的效率可以大幅度地提高，其效率可达到80。体积小，重量轻。从开关稳压电源的原理框图可以清楚地看到这里没有采用笨重的工频变

17、压器。由于调整管V上的耗散功率大幅度降低后，又省去了较大的散热片。由于这两方面原因，所以开关稳压电源的体积小，重量轻。稳压范围宽。从开关稳压电源的输出电压是由激励信号的占空比来调节的，输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿，这样，在工频电网电压变化较大时，它仍能够保证有较稳定的输出电压。所以开关电源的稳压范围很宽，稳压效果很好。此外，改变占空比的方法有脉宽调制型和频率调制型两种。这样，开关稳压电源不仅具有稳压范围宽的优点，而且实现稳压的方法也较多，设计人员可以根据实际应用的要求，灵活地选用各种类型的开关稳压电源。滤波的效率大为提高，使滤波电容的容量和体积大为减少。开关稳压电源的工作频率

18、目前基本上是工作在50kHz，是线性稳压电源的1000倍，这使整流后的滤波效率几乎也提高了1000倍。就是采用半波整流后加电容滤波，效率也提高了500倍。在相同的纹波输出电压下，采用开关稳压电源时，滤波电容的容量只是线性稳压电源中滤波电容的150011000。电路形式灵活多样。例如，有自激式和他激式，有调宽型和调频型，有单端式和双端式等等，设计者可以发挥各种类型电路的特长，设计出能满足不同应用场合的开关稳压电源。3.2开关稳压电源的缺点开关稳压电源的缺点是存在较为严重的开关干扰。开关稳压电源中，功率调整开关晶体管V工作在开关状态，它产生的交流电压和电流通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振干

19、扰，这些干扰如果不采取一定的措施进行抑制、消除和屏蔽，就会严重地影响HYPERLINK/cgi-bin/seinterface.cgi?word=整机t_blank整机的正常工作。此外由于开关稳压电源HYPERLINK/cgi-bin/seinterface.cgi?word=振荡器t_blank振荡器没有工频变压器的隔离，这些干扰就会串入工频电网，使附近的其他电子仪器、设备和家用电器受到严重的干扰。目前，由于国内微电子技术、阻容器件生产技术以及磁性材料技术与一些技术先进国家还有一定的差距，因而造价不能进一步降低，也影响到可靠性的进一步提高。所以在我国的电子仪器以及机电一体化仪器中，开关稳压电

20、源还不能得到十分广泛的普及及使用。特别是对于无工频变压器开关稳压电源中的高压电解电容器、高反压大功率开关管、开关变压器的磁芯材料等器件，在我国还处于研究、开发阶段。在一些技术先进国家，开关稳压电源虽然有了一定的发展，但在实际应用中也还存在一些问题，不能十分令人满意。这暴露出开关稳压电源的又一个缺点，那就是电路结构复杂，故障率高，维修麻烦。对此，如果设计者和制造者不予以充分重视，则它将直接影响到开关稳压电源的推广应用。当今，开关稳压电源推广应用比较困难的主要原因就是它的制作技术难度大、维修麻烦和造价成本较高4LDO简介LDO是一种微功耗的低压差线性稳压器，它通常具有极低的自有噪声和较高的电源抑制

21、比PSRR(PowerSupplyRejectionRatio)。LDO低压差线性稳压器的结构如图(2)主要包括启动电路、恒流源偏置单元、使能电路、调整元件、基准源、误差放大器、反馈电阻网络和保护电路等。基本工作原理是这样的：系统加电，如果使能脚处于高电平时，电路开始启动，恒流源电路给整个电路提供偏置，基准源电压快速建立，输出随着输入不断上升，当输出即将达到规定值时，由反馈网络得到的输出反馈电压也接近于基准电压值，此时误差放大器将输出反馈电压和基准电压之间的误差小信号进行放大，再经调整管放大到输出，从而形成负反馈，保证了输出电压稳定在规定值上，同理如果输入电压变化或输出电流变化，这个闭环回路将

22、使输出电压保持不变，即：Vout=(R1+R2)R2Vref实际的低压差线性稳压器还具有如负载短路保护、过压关断、过热关断、反接保护等其它的功能。线性电源的与开关电源的区别：线性电源的调整管工作在放大状态，因而发热量大，效率低（35%左右），需要加体积庞大的散热片，而且还需要同样也是大体积的工频变压器，当要制作多组电压输出时变压器会更庞大。开关电源的调整管工作在饱和和截至状态，因而发热量小，效率高（75以上）而且省掉了大体积的变压器。但开关电源输出的直流上面会叠加较大的纹波（50mVat5Voutputtypical），在输出端并接稳压二极管可以改善，另外由于开关管工作是会产生很大的尖峰脉冲干

23、扰，也需要在电路中串连磁珠加以改善。相对而言线性电源就没有以上缺陷，它的纹波可以做的很小（5mV以下）。对于电源效率和安装体积有要求的地方用开关电源为佳，对于电磁干扰和电源纯净性有要求的地方（例如电容漏电检测）多选用线性电源。另外当电路中需要作隔离的时候现在多数用DCDC来做对隔离部分供电（DC-DC从其工作原理上来说就是开关电源）。还有，开关电源中用到的高频变压器可能绕制起来比较麻烦。线性电源一般用在小电流或都是压降小的地方.原因.线性电源就像一个电阻和负阻串联一样,线性电源的功耗与负载功耗是正比关系,负载功率越高,电源的功耗也就越高,并且,线性电源两端的压差越大,损耗越高.优点是可调范围大

24、,开关电源是采用开关形式,解决了线性电源的功耗大的缺点.但是可调范围窄.21IC技术贴开关电源与线性电源的深入理解HYPERLINK/icview-146246-1-1.html/icview-146246-1-1.html实事求是地说，原来我看到的电源也只是线性电源。最早看到开关电源的是从电视机上看到的。那时，是将线性电源改成开关电源。人们有这种取舍？原因因为线性电源一是效率低，生命在于运动器自身功耗大，二是电器需要的电源功率越来越大，以原有的效率，虽然有可能满足要求，但是稳压电路自身的发热量如果占据整机发热量的一半，你以为是什么概念呢？另外一个方面是开关电源可以方便地进行电源隔离（如解决防雷、防高压，抗干扰等令人头痛的问题）和“任意”进行升压和降压，安全性好，整机可靠性强（更难于损坏主电路）。这一点，是线性电源所无法做到的。而开关电源可以依赖变压器隔离，能轻松解决此类问题。你谈到的体积问题就更容易解释了。你应该看到许多PCB板上的不及小指大小的DCtoDC模块。如果我想获得一两瓦甚至零点几瓦的电源，线性电源的体积会有多大呢？同