24V總線工業(yè)應(yīng)用中線性穩(wěn)壓器與開關(guān)式穩(wěn)壓器比較

圖1 集成MOSFET的開關(guān)式（降壓）轉(zhuǎn)換器


圖2 集成、寬輸入電壓線性穩(wěn)壓器


線性穩(wěn)壓器已存在了許多年。一些設(shè)計(jì)人員仍然把已存在了20多年之久的線性穩(wěn)壓器用于眾多新老項(xiàng)目。另一些設(shè)計(jì)人員則通過(guò)離散組件制作出屬于自己的線性穩(wěn)壓器。在進(jìn)行寬范圍電壓轉(zhuǎn)換時(shí)，線性穩(wěn)壓器的簡(jiǎn)單性是一個(gè)難以超越的優(yōu)勢(shì)。但是，如果壓降過(guò)大，則24V總線的低電流應(yīng)用（例如：工業(yè)應(yīng)用或者HVAC控制等）可能會(huì)遇到熱問題。幸運(yùn)的是，設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在有許多選擇，可以使用小型、高效、寬輸入電壓開關(guān)式穩(wěn)壓器。

本文將對(duì)24V總線、100mA和5V輸出的三種不同解決方案進(jìn)行比較。我們把一個(gè)同步降壓轉(zhuǎn)換器與一個(gè)集成線性穩(wěn)壓器和一個(gè)離散線性穩(wěn)壓器進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)比較它們的尺寸、效率、散熱性能、瞬態(tài)響應(yīng)、噪聲、復(fù)雜度和成本，幫助廣大設(shè)計(jì)人員選擇最能滿足某個(gè)特殊應(yīng)用要求的解決方案。

比較條件
大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用都使用24V總線，并要求5V電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)各種負(fù)載，例如：邏輯和低電流微處理器等。我們選擇100mA的輸出電流，原因是它可適應(yīng)許多邏輯和處理器負(fù)載。但是，功耗水平會(huì)影響我們使用開關(guān)式穩(wěn)壓器還是線性穩(wěn)壓器的決定。圖1、2和3所示電路均建立在相同電路板基礎(chǔ)上，并使用相同額定值的1μF輸入和4.7μF輸出陶瓷電容器。

圖1所示設(shè)計(jì)使用一個(gè)具有集成MOSFET的同步降壓轉(zhuǎn)換器，即德州儀器的TPS54061。注意，該電路并不要求使用一個(gè)保護(hù)二極管，但卻包含了1個(gè)電感、5個(gè)電容器和4個(gè)電阻器。該器件還使用了外部補(bǔ)償，并使用與圖2和圖3所示線性電路一樣的輸入和輸出電容器。

圖2所示設(shè)計(jì)使用了一個(gè)集成、寬輸入電壓線性穩(wěn)壓器，即德州儀器的LM317，它是一種具有1.5A輸出能力的流行工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)壓器。該電路使用2個(gè)外部電阻器和2個(gè)外部電容器。輸入和輸出電壓的巨大差異，要求雙decawatt封裝（DDPak）的低熱電阻。

圖3顯示的是一個(gè)離散線性穩(wěn)壓器，它使用一個(gè)晶體管和一個(gè)齊納二極管，并有2個(gè)外部電容器和4個(gè)外部電阻器。5.6V下時(shí)，齊納二極管損壞，該電壓被饋給NPN晶體管的基極。由于存在基極-發(fā)射極壓降，輸出被調(diào)節(jié)至~5 V。外部電阻器用于幫助降低NPN晶體管的功耗。

表1概括了這類設(shè)計(jì)的板面積和組件數(shù)目。
線性穩(wěn)壓器解決方案要求使用更多的板面積來(lái)緩解電路板上的熱問題。全負(fù)載下時(shí)，所有線性穩(wěn)壓器解決方案的功耗都必須達(dá)到約2W。一般而言，1平方英寸板面積內(nèi)，1W左右的功耗會(huì)帶來(lái)100°C的溫升。按照設(shè)計(jì)，線性穩(wěn)壓器解決方案僅允許40°C的溫升。如果不考慮外部組件的數(shù)目以及補(bǔ)償反饋環(huán)路和選擇電感的大量設(shè)計(jì)工作，在板面積有限時(shí)，同步降壓轉(zhuǎn)換器無(wú)疑是理想選擇。

散熱性能
圖4所示熱圖像表明了這類電路板設(shè)計(jì)的溫升情況。這樣設(shè)計(jì)電路板的目的是，讓所有電路均不會(huì)干擾相鄰電路的散熱性能。表2表明，開關(guān)式穩(wěn)壓器具有低溫升，其溫度為11°C。輸入和輸出電壓之間存在巨大差異時(shí)，相比線性電路，同步整流開關(guān)式穩(wěn)壓器的效率表現(xiàn)優(yōu)異。（參見表3）有趣的是，我們注意到，集成線性電路的溫升不同于離散線性電路。由于集成線性穩(wěn)壓器的封裝（DDPak）更大，因此它的散熱所分布面積也更大。使用SOT-23和SOT223封裝的離散線性電路比DDPak小，并擁有更高的封裝功耗額定值，從而讓散熱更加困難。

圖3 離散線性穩(wěn)壓器

表1 板面積和組件數(shù)目概括表


表2 散熱性能總結(jié)表


圖4 每種電路的發(fā)熱情況（白色表示最高溫度）


表3 效率和功率損耗總結(jié)表

圖5 效率與負(fù)載電流的關(guān)系曲線圖


圖6 功耗與負(fù)載電流的關(guān)系曲線圖


效率比較
散熱性能直接與每種穩(wěn)壓器的效率有關(guān)。圖5顯示了所有三種電路的效率比較情況。正如我們所預(yù)測(cè)的那樣，在輕負(fù)載和全負(fù)載效率兩方面，開關(guān)式穩(wěn)壓器均表現(xiàn)優(yōu)異。在輕負(fù)載下，開關(guān)損耗和靜態(tài)電流損耗更加明顯，其解釋了更輕負(fù)載下效率較低的原因。輕負(fù)載下時(shí)，最好是查看功耗曲線圖（圖6），而非效率曲線圖，因?yàn)?0mA下50%的效率差異看似為一個(gè)較大的余量。但是，負(fù)載消耗的電流較小。當(dāng)輸入電壓為24V而輸出電流為10mA時(shí)，開關(guān)式穩(wěn)壓器的功耗為2.8mW，集成線性穩(wěn)壓器的功耗則為345mW。在全負(fù)載條件下，開關(guān)式穩(wěn)壓器的測(cè)得功耗為0.093 W，而線性穩(wěn)壓器則為2.06W，其表明余量較寬并且性能獲得明顯改善。

表3總結(jié)了所有三個(gè)電路的效率和功耗。注意，離散線性電路的靜態(tài)電流小于集成線性電路。相比離散線性電路，集成線性穩(wěn)壓器內(nèi)部電路的功耗更高，并擁有更多的功能。

輸出電壓特性
模擬電路對(duì)電壓紋波敏感，而數(shù)字處理器則對(duì)內(nèi)核電壓的精度敏感。應(yīng)查看電源的電壓紋波、電壓調(diào)節(jié)精度以及負(fù)載瞬態(tài)期間的電壓峰值偏差，這一點(diǎn)很重要。線性穩(wěn)壓器本身的紋波較低，可用于消除開關(guān)式穩(wěn)壓器的噪聲。在最大負(fù)載條件下，集成和離散線性穩(wěn)壓器電路的電壓紋波均小于10mV。以輸出電壓百分比表示時(shí)，精度應(yīng)大于0.2%。另一方面，開關(guān)式穩(wěn)壓器的電壓紋波為75mV，即輸出電壓的1.5%。開關(guān)式穩(wěn)壓器的陶瓷輸出電容器的低等效串聯(lián)電阻特點(diǎn)，使這種電路的紋波較低，但存在開關(guān)式穩(wěn)壓器的固有噪聲。

比較空載到全負(fù)載時(shí)開關(guān)式穩(wěn)壓器和線性穩(wěn)壓器的輸出電壓精度表明，開關(guān)式穩(wěn)壓器擁有更高的性能。進(jìn)一步查看產(chǎn)品規(guī)格表，我們可知道，開關(guān)式穩(wěn)壓器的基準(zhǔn)電壓是三種電路中精度最高的。開關(guān)式穩(wěn)壓器是一種相對(duì)較新的集成電路，并且DC/DC轉(zhuǎn)換器正朝著更高的基準(zhǔn)電壓精度發(fā)展。離散線性電路使用一種更加簡(jiǎn)單的方法來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，其性能最低。在許多情況下，由于調(diào)節(jié)后輸出電壓為5V，許多應(yīng)用不需要高電壓精度。

圖7到圖9顯示了負(fù)載瞬態(tài)曲線圖。盡管開關(guān)式穩(wěn)壓器擁有高輸出電壓精度，但其在負(fù)載瞬態(tài)期間測(cè)得的峰值到峰值電壓并沒有線性電路好。50mA到100mA負(fù)載步進(jìn)期間，開關(guān)式穩(wěn)壓器的測(cè)得峰值到峰值電壓為250mV，即輸出電壓的5%，而線性電路則為40mV。我們可以為開關(guān)式穩(wěn)壓器添加更多輸出電容，以降低電壓峰值，但是代價(jià)是成本和尺寸的增加。注意，離散線性電路的設(shè)計(jì)目的并非是恢復(fù)負(fù)載瞬態(tài)期間的輸出電壓。另外，簡(jiǎn)單電路無(wú)法實(shí)現(xiàn)限流或者熱關(guān)斷保護(hù)功能！

圖7 負(fù)載瞬態(tài)期間的開關(guān)式穩(wěn)壓器


圖8 負(fù)載瞬態(tài)期間的集成線性穩(wěn)壓器


圖9 負(fù)載瞬態(tài)期間的離散線性穩(wěn)壓器


表4總結(jié)了三種穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的輸出電壓特性。

表4 輸出電壓特性總結(jié)表


成本比較
這些電路中使用的大多數(shù)外部組件均為小型、無(wú)源電阻器和電容器，成本不超過(guò)0.01美元。三個(gè)電路中成本最高的組件是硅。所有三個(gè)材料清單（BOM）的費(fèi)用（如表5所示），均收集自10000顆批發(fā)建議銷售定價(jià)的美國(guó)銷售渠道。正如我們所看到的那樣，線性穩(wěn)壓器解決方案的成本遠(yuǎn)低于開關(guān)式穩(wěn)壓器。不幸的是，開關(guān)式穩(wěn)壓器要求使用一個(gè)外部電感，其費(fèi)用約為0.10美元，但它所帶來(lái)的效率提高和尺寸縮減值得我們?yōu)榇硕嘟o錢。集成和離散線性穩(wěn)壓器的成本差異僅為0.06美元！單是保護(hù)功能就能證明集成線性穩(wěn)壓器相比離散線性穩(wěn)壓器的優(yōu)勢(shì)所在。

表5 BOM成本總結(jié)表


結(jié)論
有許多電源管理解決方案可供設(shè)計(jì)人員選擇，但需根據(jù)具體應(yīng)用需求來(lái)選擇最佳的解決方案。那些能夠降低能耗和節(jié)省板空間的電源管理解決方案，使設(shè)計(jì)人員讓其產(chǎn)品具備更加差異化的特性，并在市場(chǎng)上表現(xiàn)出對(duì)用戶的吸引力。相比線性電路，同步降壓轉(zhuǎn)換器的效率更高，板空間更節(jié)省。如果某個(gè)設(shè)計(jì)必須實(shí)現(xiàn)最低的成本，則可使用離散線性電路，但其性能最低，并且還存在許多潛在問題，例如：散熱和缺少保護(hù)功能等。

表6總結(jié)了所有三種穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的特性，幫助設(shè)計(jì)人員為某種具體應(yīng)用選擇最佳解決方案。

表6 24V輸入5V/100mA穩(wěn)壓器特性