直流穩壓器件的發展演化和選用

袁惠娟+魯天翱+秦逸平

【摘 要】本文圍繞直流電源的發展過程，對各階段的直流穩壓器件性能進行分析與探討，著重指出了各類穩壓器件的優缺點，為設計或選用直流穩壓電源方案提供一定的參考依據。

【關鍵詞】直流穩壓器件；發展演化；性能分析

隨著科技的發展，電子產品已成為人們日常生活和工作的必須品，如手機、電腦、相機等等，電子產品正常工作通常需要直流電壓源供電，而直流電壓源往往存在工作過程中供電電壓波動變化或負載發生變化時導致電壓不穩定情況發生，因而直流穩壓器應運而生。隨著電子器件向小型化、低功耗化、片式化方向開發，新一代集成芯片工作電壓越來越低；另外一個產品出現不同單元需要不同直流電壓供電要求，因此直流電壓器件的發展也是日新月異。

直流穩壓器件的發展歷程大致可分為：分立線性穩壓器→集成線性穩壓電源（包括LDO低功耗穩壓電源）→PWM開關電源（有用于手機充電器，筆記本電源選配器的AC-DC穩壓電源；儀器、設備內部轉換電源的DC-DC穩壓電源；降壓型、升壓型、負壓型等穩壓電源）→諧振式開關電源（有電壓諧振式、電流諧振式）→PFC穩壓電源（也稱為綠色電源）。

完整的線性穩壓電源一般由電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩壓電路組成，穩壓電路中所使用的直流穩壓器，其起調節輸出電壓作用的調整管工作在線性區域，故被稱為線性穩壓器，此類器件使用簡單便捷，成本低廉，因而被廣泛使用。早期的線性穩壓器件輸入輸出壓差不能低于3V，以一個5V輸出的直流穩壓器W7805為例，若使其能滿負載正常工作，其最低輸入電壓須為8V；如果輸入電壓提高到10V，輸出電壓5V，則自身壓降為5V，此時有工作電流輸出時，其自身功率耗散和輸出功率各占一半，穩壓器轉換效率為50%；如果把輸入電壓提高至20V，穩壓器上輸入輸出壓差（即管壓降）為15V，轉換效率僅為25%，這不僅對電能產生了極大無謂浪費，更會導致器件工作溫度過高進而造成的工作不穩定和可能的損傷，以及額外增加散熱措施等帶來的諸多麻煩。

為了解決固有的自身功耗大，轉換效率低的難題，線性直流穩壓器研制出了低壓差穩壓器件，簡稱LDO，早期的代表品種L1086系列穩壓器，正常工作時輸入輸出最低壓差只有1.5V，美國麥瑞公司最新生產的L2900系列產品，其最低輸入輸出電壓差僅為0.3V，是傳統穩壓器要求的十分之一，在此條件下工作不僅提高了電源的利用率，還有效降低了器件自身發熱，提高工作穩定性。

有別于傳統穩壓器較高的固定輸出電壓，LDO穩壓器輸出電壓基本上從5V開始梯次下降，較為常見的固定輸出為3.3V、2.8V、2.5V等，這是滿足現在集成電路向低電壓低功耗方向發展趨勢。與普通穩壓器相比，其劣勢有二，一是為發揮低壓差優勢，對輸入電壓有比較精細要求，限制了寬電壓變化輸入使用場合；二是其較高的產品價格影響其更多低端場合的普及應用。

早期的開關電源控制芯片是不含開關電源管理器的，如TL494系列，這對整機PCB設計和EMC設計帶來不便；目前的電源管理器是將脈寬調制器與開關管集成在一起組成模塊，其特點是體積小，電壓、電流調整率好；它們分為兩類，一類是輸入輸出不隔離DC-DC型的，如MC34063A，突出優點是轉換效率高達85%以上，能在數安培的電流下工作而不產生發熱，大大提升工作條件的適應性；另一類如TOP256Y是單端反激式（簡稱RCC）AC-DC型開關電源，常用于市電輸入的隔離型電源輸出，電源初級熱地和電源輸出冷地靠開關變壓器或光電耦合器隔離，保證電源輸出端對人身的安全，如電視機電源、電動車充電器等。

模塊化DC/DC電源變換器自問世以來，隨著電路模式的升級換代，在單位功率密度上和轉換效率上迅速提高；如LM2596S、XL6009、MT3608等，模塊外形尺寸從全磚、半磚、1/4磚向板級小型化發展，小尺寸的DC/DC電源模塊能做到1英寸見方、半英寸見方甚至更小，完全實現PCB板上靈活使用；其工作頻率從早期的幾百KHz提高到上MHz，內部元件的不斷優化和零電壓、零電流技術到目前的同步整流技術的應用，效率也從早期的60%左右提升到現在的90%以上。與直流穩壓器比具有：一、輸入電壓寬范圍下保持高轉換效率基本不變；二、可以做到升壓輸出；三、內部的電氣隔離設計實現了輸入輸出電壓隔離。這些特點使其在高電壓輸入、大電流工作下為多系統同時供電需進行電氣隔離條件時，完成直流穩壓器無法勝任的工作，因而使用越來越廣泛。

DC/DC電源模塊有一個自身無法克服的缺點，即模塊內部產生的紋波干擾。因為開關電源的開關管工作時脈沖的上下沿產生的干擾紋波在模塊內部無法采取措施徹底消除，因而DC/DC電源模塊使用時會在輸入輸出端都產生較大干擾紋波，影響用電單元正常工作，還會干擾主電源回路，因此使用中必要時需與EMI濾波器配合使用，但這會增加電路體積和使用成本。

為克服開關電壓在應用過程中造成對電網電磁污染和電源利用率不高，又研制出了具有功率因素校正電路（Power Factor Correction，PFC）功能的開關穩壓電源。如帶有源PFC功能的液晶電視輸出+24V的開關電源，輸入交流電壓AC220V經過整流后約得到+310V的脈動直流電壓Vc，在Vc和開關管漏極Vd之間接入一個功率因素校正電感L1，例如可由SG6961控制電感L1中的儲能以升壓的方式疊加到電源線Vd上，不僅使電源線上的電壓升高到約+400V，而且使得流過L1輸入端的電流波形和輸入電壓的波形趨于一致，從而達到提高功率因數的目的。

上面對各類器件級的直流電壓穩壓器進行介紹，根據其不同特點指出應用時各自適用的場合，具體使用時還應根據具體電氣要求進一步判斷設計。

【參考文獻】

[1]“高效率低電磁污染的Boost APFC開關電源的設計與實驗研究”李華樂《江蘇大學》碩士學位論文，2006.11.

[2]“開關穩壓電源的原理及發展”熊文靜鄭耀林黃傳明《儀器儀表用戶》 2007.04.

[3]“開關電源原理與應用分析”楊江坤麻銀金《科技風》2017.03.

[責任編輯：張濤]endprint