線性穩壓器與開關穩壓器解析

每個新的電子設備都需要某種程度的功率調節。無論新產品是依靠電池，外部電源還是交流電源運行，都需要為新系統設計一種調節策略。這可能涉及多個功率調節電路，通常帶有反饋以提供高效功率轉換。您可能需要各種支持組件和功能，以幫助您調節功率輸出，尤其是在系統以高功率運行時。

從用于CPU和GPU的VRM到簡單的線性DC穩壓器的所有內容都需要在布局之前進行一定程度的評估。在創建布局之前，應對穩壓器電路執行一些基本仿真。這是在穩壓器電路仿真步驟中要注意的內容，以及如何發現電路設計問題。

穩壓器電路拓撲將確定設備的功能并定義組件在系統中的放置位置。每種類型的穩壓器電路類型和拓撲結構都有不同的優點和缺點。在開始模擬穩壓器電路之前，您需要確定所需的穩壓器類型，拓撲以及保持高轉換效率的穩定電源所需的任何其他功能。

穩壓器類型

在電子系統中可以找到兩種基本類型的穩壓器：

線性穩壓器。這些調節器使用線性電阻元件（例如電位計）或以線性方式工作的非線性元件（例如MOSFET）來提供穩定的電壓輸出。線性穩壓器的常見類型是串聯，并聯和低壓降（LDO）。這些調節器的效率可能在60％至80％之間。

開關穩壓器。這些穩壓器使用帶有放電電抗元件的開關FET，以根據特定應用的需要對輸出電壓進行升壓（升壓轉換器）或降壓（降壓轉換器）。這些穩壓器提供高效的DC-DC電源轉換，效率輕松超過90％。用于GPU或CPU的VRM是開關調節器的一種常見類型。

盡管這些不同類型的穩壓器電路設計提供不同的效率并需要不同的組件，但它們可以一起用于多級穩壓器策略中。與單獨使用線性穩壓器電路時相比，這種類型的布置可以提供更高的效率電源轉換，并且允許設計人員為以不同電壓運行的多個電路塊提供電源。

線性穩壓器與開關穩壓器

線性穩壓器簡單的類型是并聯穩壓器。該穩壓器電路使用齊納二極管在負載的低端和輸出的高端之間提供反饋，從而提供穩定的功率輸出。盡管在穩壓器的高端使用了雙極型晶體管或MOSFET來提供穩定的輸出，但是串聯穩壓器是這種情況的變體。晶體管的基極/柵極在反饋環路中連接至齊納二極管，然后將基極/柵極電流調制為穩定值。

三種常見的線性電壓電路圖：（左）并聯，（中心）系列和（右）LDO

開關穩壓器設計具有降壓，升壓或降壓-升壓拓撲。這些電路的共同主題是使用開關晶體管將輸出電壓和電流調節到特定水平。這需要為晶體管提供PWM信號以調制輸出電流。

開關穩壓器和復雜的線性穩壓器通常將反饋回路作為調節策略的一部分。對于LDO，反饋環路由一個硅帶隙基準電壓源和一個運算放大器（在LDO電路圖中稱為誤差放大器）組成。對于開關穩壓器，反饋環路和控制策略可以像控制PWM信號的ADC和MCU一樣簡單，或者針對更高功率應用的可編程感應放大器一樣簡單。

在穩壓器電路中，反饋不僅僅提供增益以達到所需的輸出功率。如果輸出電壓和電流開始偏離期望值，則還應控制調節器。大功率開關穩壓器的常見策略是使用感測放大器和ADC來量化輸出電壓。然后，可以將其與已編程的MCU配合使用，以調節PWM信號的占空比，從而調制開關FET。

在模擬中，除非您使用有源組件，否則通常不需要直接檢查反饋回路中發生的情況。此處的關鍵是檢查通過反饋回路的電壓/電流是否不超過組件規格。電流檢測放大器（在開關穩壓器中）或誤差放大器（在LDO中）之類的組件將具有額定值，無法超過。您應該將這些額定值與反饋環路中的仿真電壓/電流進行比較，并在設計中應用適當的安全裕度。

進行這些比較就像使用直流掃描一樣簡單，并檢查輸入電壓何時在穩壓器電路的組件上施加了不可接受的負載。如果沒有達到您要使用的DC電壓的值，則您選擇的組件在運行期間可能很安全。

對于將要使用交流電源運行的更復雜的功率傳輸和調節系統，可能需要功率因數校正（PFC）電路，尤其是在使用開關調節器時。該附加電路放置在整流器之后，以平滑來自輸入的升壓交流電。如果流入開關調節器級的電流具有不可接受的高總諧波失真（THD），則根據IEC 61000-3標準，您需要在輸入上使用PFC電路。

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