24V總線(xiàn)工業(yè)應用中線(xiàn)性穩壓器與開(kāi)關(guān)式穩壓器比較

圖1 集成MOSFET的開(kāi)關(guān)式（降壓）轉換器


圖2 集成、寬輸入電壓線(xiàn)性穩壓器


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

本文將對24V總線(xiàn)、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)同步降壓轉換器與一個(gè)集成線(xiàn)性穩壓器和一個(gè)離散線(xiàn)性穩壓器進(jìn)行對比。通過(guò)比較它們的尺寸、效率、散熱性能、瞬態(tài)響應、噪聲、復雜度和成本，幫助廣大設計人員選擇最能滿(mǎn)足某個(gè)特殊應用要求的解決方案。

比較條件
大多數工業(yè)應用都使用24V總線(xiàn)，并要求5V電壓來(lái)驅動(dòng)各種負載，例如：邏輯和低電流微處理器等。我們選擇100mA的輸出電流，原因是它可適應許多邏輯和處理器負載。但是，功耗水平會(huì )影響我們使用開(kāi)關(guān)式穩壓器還是線(xiàn)性穩壓器的決定。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所示設計使用一個(gè)具有集成MOSFET的同步降壓轉換器，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償，并使用與圖2和圖3所示線(xiàn)性電路一樣的輸入和輸出電容器。

圖2所示設計使用了一個(gè)集成、寬輸入電壓線(xiàn)性穩壓器，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)標準穩壓器。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(xiàn)性穩壓器，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，輸出被調節至~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(lèi)設計的板面積和組件數目。
線(xiàn)性穩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(wèn)題。全負載下時(shí)，所有線(xiàn)性穩壓器解決方案的功耗都必須達到約2W。一般而言，1平方英寸板面積內，1W左右的功耗會(huì )帶來(lái)100°C的溫升。按照設計，線(xiàn)性穩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目以及補償反饋環(huán)路和選擇電感的大量設計工作，在板面積有限時(shí)，同步降壓轉換器無(wú)疑是理想選擇。

散熱性能
圖4所示熱圖像表明了這類(lèi)電路板設計的溫升情況。這樣設計電路板的目的是，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(kāi)關(guān)式穩壓器具有低溫升，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(xiàn)性電路，同步整流開(kāi)關(guān)式穩壓器的效率表現優(yōu)異。（參見(jiàn)表3）有趣的是，我們注意到，集成線(xiàn)性電路的溫升不同于離散線(xiàn)性電路。由于集成線(xiàn)性穩壓器的封裝（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(xiàn)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(xiàn)性穩壓器

表1 板面積和組件數目概括表


表2 散熱性能總結表


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表

圖5 效率與負載電流的關(guān)系曲線(xiàn)圖


圖6 功耗與負載電流的關(guān)系曲線(xiàn)圖


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

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

輸出電壓特性
模擬電路對電壓紋波敏感，而數字處理器則對內核電壓的精度敏感。應查看電源的電壓紋波、電壓調節精度以及負載瞬態(tài)期間的電壓峰值偏差，這一點(diǎn)很重要。線(xiàn)性穩壓器本身的紋波較低，可用于消除開(kāi)關(guān)式穩壓器的噪聲。在最大負載條件下，集成和離散線(xiàn)性穩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)，精度應大于0.2%。另一方面，開(kāi)關(guān)式穩壓器的電壓紋波為75mV，即輸出電壓的1.5%。開(kāi)關(guān)式穩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(kāi)關(guān)式穩壓器的固有噪聲。

比較空載到全負載時(shí)開(kāi)關(guān)式穩壓器和線(xiàn)性穩壓器的輸出電壓精度表明，開(kāi)關(guān)式穩壓器擁有更高的性能。進(jìn)一步查看產(chǎn)品規格表，我們可知道，開(kāi)關(guān)式穩壓器的基準電壓是三種電路中精度最高的。開(kāi)關(guān)式穩壓器是一種相對較新的集成電路，并且DC/DC轉換器正朝著(zhù)更高的基準電壓精度發(fā)展。離散線(xiàn)性電路使用一種更加簡(jiǎn)單的方法來(lái)調節輸出電壓，其性能最低。在許多情況下，由于調節后輸出電壓為5V，許多應用不需要高電壓精度。

圖7到圖9顯示了負載瞬態(tài)曲線(xiàn)圖。盡管開(kāi)關(guān)式穩壓器擁有高輸出電壓精度，但其在負載瞬態(tài)期間測得的峰值到峰值電壓并沒(méi)有線(xiàn)性電路好。50mA到100mA負載步進(jìn)期間，開(kāi)關(guān)式穩壓器的測得峰值到峰值電壓為250mV，即輸出電壓的5%，而線(xiàn)性電路則為40mV。我們可以為開(kāi)關(guān)式穩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(xiàn)性電路的設計目的并非是恢復負載瞬態(tài)期間的輸出電壓。另外，簡(jiǎn)單電路無(wú)法實(shí)現限流或者熱關(guān)斷保護功能！

圖7 負載瞬態(tài)期間的開(kāi)關(guān)式穩壓器


圖8 負載瞬態(tài)期間的集成線(xiàn)性穩壓器


圖9 負載瞬態(tài)期間的離散線(xiàn)性穩壓器


表4總結了三種穩壓器設計的輸出電壓特性。

表4 輸出電壓特性總結表


成本比較
這些電路中使用的大多數外部組件均為小型、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）的費用（如表5所示），均收集自10000顆批發(fā)建議銷(xiāo)售定價(jià)的美國銷(xiāo)售渠道。正如我們所看到的那樣，線(xiàn)性穩壓器解決方案的成本遠低于開(kāi)關(guān)式穩壓器。不幸的是，開(kāi)關(guān)式穩壓器要求使用一個(gè)外部電感，其費用約為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(qián)。集成和離散線(xiàn)性穩壓器的成本差異僅為0.06美元！單是保護功能就能證明集成線(xiàn)性穩壓器相比離散線(xiàn)性穩壓器的優(yōu)勢所在。

表5 BOM成本總結表


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

表6總結了所有三種穩壓器設計的特性，幫助設計人員為某種具體應用選擇最佳解決方案。

表6 24V輸入5V/100mA穩壓器特性