大多数电子系统依靠稳压器来提供稳定的直流 (DC) 电平。 本文将解释稳压器的工作原理，并回顾用于 DC-DC 转换的两种主要类型的稳压器：开关稳压器和线性稳压器。通过比较它们的优点和局限性，突出了每种方法的常见应用。

调节和改善直流电压水平

电子系统需要特定的直流电平才能安全高效地运行。 整流器将主电源的交流电 (AC) 转换为直流电。 然后，直流-直流转换器（图 1）会优化该输出，消除波动并提供精确的目标直流电压。 这些转换器还可以调整太阳能电池板、电池组和车辆交流发电机等来源的电压，以与预先确定的电压参数保持一致。

图 1. 标准 DC-DC 转换器。 （图片来源：EverythingPE）

线性和开关稳压器有助于实现各种功能的 DC-DC 转换，例如降压、升压和升降压。 线性稳压器提供了一种简单但有限的方法来实现较小的电压降低，从而以最小的噪声提供稳定的输出。 这些稳压器不支持升压或升降压配置，因为它们的效率较低、具有固有压降和电流输出限制。 相比之下，开关稳压器提供更大的灵活性和更高的效率，适应隔离和非隔离的直流到直流转换，从显着的电压降低到升压和升降压等各种拓扑。

开关稳压器

开关稳压器使用电源开关、电感器和二极管将能量从输入传输到输出并调节电压。 它们通过电源开关（通常是场效应晶体管（FET），并由开关控制器集成电路（IC）管理）的快速开关来实现电压调节。 调节这些 FET 的一种关键方法涉及脉冲宽度调制 (PWM)，其中调整“导通”状态的持续时间以调节传输到负载的能量。

图 2. 开关稳压器电路的简化原理图，突出显示 PWM 逻辑和 FET 驱动器。 （图片来源：瑞萨）

在反馈控制环路中，这些 IC 与电阻器、电容器和电压/电流传感器一起持续调整开关状态和 PWM 占空比，确保稳定且精确的电压输出。

开关稳压器可以将 FET 作为分立元件安放到控制器外部，或者将它们集成到同一 IC 中（图 2）。 后一种配置拓宽了各种设备和功能的适用性，例如降压和升压转换器、逆变器和反激变压器。 IC 集成还简化了设计，实现紧凑的外形尺寸，同时提高性能和效率。

事实上，开关稳压器通常通过使用晶体管作为开关（完全打开或关闭）来实现超过 90% 的效率。 这种配置减少了开关上的压降（打开时）并限制电流（关闭时），从而有效地最大限度地减少功率损耗。 此外，开关稳压器可显着降低热能耗散，从而实现低输入输出电压差和中等负载电流。

线性稳压器

线性稳压器（图 3）使用输入直流路径中的晶体管精确调节电压和电流。 反馈环路控制晶体管的导通状态，即使输入电压或负载发生变化，也能有效稳定输出电压。

图 3. 线性稳压器电路的基本原理图，展示了关键元件和电流管理。 （图片来源：Analog Devices）

然而，线性稳压器会产生功率损耗，因为晶体管在桥接输入和输出电压间隙时会以热量的形式耗散能量。 低效率在高功率应用中最为明显，例如使用 10 V 直流电源为 5 V、10 A 负载供电，这会导致 50W 损耗和 50% 的转换率。 为了有效运行，输入电压必须超过输出电压一个最小的差距，这种差异称为压差。

值得注意的是，低压差 (LDO) 线性稳压器可以在输入输出电压差最小的情况下提高效率。 LDO 使用反馈机制调整其内部电阻，以精确控制输出电压，即使电源电压略微超过输出电压，也能确保最小压降。 LDO 非常适合需要稳定调节和紧密匹配电压电平的应用。

开关稳压器的优点和局限性

多功能、高效的开关稳压器可适应隔离式和非隔离式 DC-DC 转换，从大幅降压到升压和降压-升压，包括反激式、正激式转换器配置和单端初级电感转换器（ SEPIC）。 有效减少功率损耗和热能耗散化，开关稳压器利用低静态电流（IQ）来维持无负载运行。 开关稳压器采用集成解决方案（将 FET 直接集成在 IC 内部）或采用使用外部功率MOSFET的模块化设计来实现。

智能手机、智能手表和其他先进的可穿戴设备依靠开关稳压器通过优化的电源管理、低 IQ 和精确的电压调节来延长电池寿命。 开关稳压器在需要高效电压转换的太阳能逆变器和电池管理系统 (BMS) 中发挥着同样重要的作用。 此外，汽车直流对直流转换器中的开关稳压器可以稳定先进车辆系统的电压，补偿波动并确保功率流的一致。 在工业自动化中，开关稳压器为先进的传感器和控制器提供可靠、精确的电压水平。

尽管开关稳压器用途广泛且高效，但通常不用于需要超低噪声和纹波的敏感模拟电路或音频应用。 这是因为开关动作通常会引入电子噪声并影响性能。 线性稳压器具有最小的电噪声，被认为更适合这些用例。

为什么要使用线性稳压器？

线性稳压器提供了一种简单、经济高效的解决方案，可实现较小的压降，同时效率损失最小。 它们可以有效地将多余的电压以热量的形式消散，只需要基本连接，例如输入电压 (VIN)、输出电压 (VOUT)、反馈 (FB) 和（可选）接地 (GND)。

输入和输出之间的大电压差会显着增加线性稳压器的功率损耗，从而降低其效率。 尽管当输入和输出之间的电压差极小时，LDO 可以高效工作，但它们无法将输出电压提升到输入以上、或者反转电压极性，因此仅限于降压转换。

尽管有其局限性，线性稳压器仍然是需要低噪声、快速瞬态响应和最小压差的模拟电路和音频设备的流行选择。简单、经济高效的线性稳压器还针对无需外部电感器且热量极低的低功耗设备，例如基本数字手表、LED 驱动器以及用于精密测量和监控的低功耗模拟传感器模块。

对于通信基础设施和无线电设备，线性稳压器可确保最小的电源噪声和低输出电压纹波。 此外，内部反馈环路有助于快速响应负载或输入电压变化，无需外部补偿。

总结

开关稳压器为许多 DC-DC 转换配置（包括降压、升压和降压-升压）提供多功能性和效率。 相比之下，低噪声线性稳压器为较小的电压降提供了更有限的解决方案，其中效率损失最小。 线性稳压器是模拟电路、LED 驱动器以及音频或通信设备的热门选择。 开关稳压器面向更广泛的应用，从复杂的可穿戴设备和汽车系统到工业自动化、太阳能逆变器和电池管理系统。