線性穩壓電源與開關模式電源

電源時間：您的下一個電子項目是否需要線性穩壓或開關電源？
日常電子設備，特別是那些帶有集成電路的設備，需要一個可靠的直流電壓源，可以始終供電而不會出現任何打嗝。在這篇博客中，我們將介紹兩種電源設計拓撲結構，供您在下一個項目中考慮，即線性穩壓和開關電源。您選擇的電源最終取決于您對效率、空間、輸出調節、瞬態響應時間和成本的要求。

線性穩壓電源

直到20世紀70年代，線性穩壓器一直是將交流電（AC）轉換為電子設備穩定直流電（DC）的首選電源。雖然這種電源類型在今天并不普遍使用，但它仍然是需要最小噪聲和紋波的應用的最佳選擇。

它們可能體積龐大，但是無噪聲的

它們是如何工作的
允許線性穩壓器發揮作用的主要部件是鋼或鐵變壓器。此轉換器提供兩個功能：

• 它充當屏障，將高壓交流輸入與低壓直流輸入分開，從而過濾掉進入輸出電壓的任何噪聲。
• 它將交流輸入從115V/230V降至約30V，然后可轉換為穩定的直流電壓。
  

交流電壓首先由變壓器降低，然后由幾個二極管整流。然后通過一對大型電解電容器將其平滑成低直流電壓。然后，使用晶體管或集成電路將這種低直流電壓調節為穩定的輸出電壓。

這是一個帶有線性穩壓器的電源

線性電源中的穩壓器充當可變電阻器。這允許輸出電阻值發生變化，以匹配輸出功率要求。由于穩壓器不斷抵抗電流以保持電壓，因此它也充當功率耗散裝置。這意味著有用的功率不斷以熱量的形式損失，以保持電壓電平恒定。

變壓器已經是印刷電路板（PCB）上的一個大型組件。由于恒定的功率和散熱，線性穩壓器電源將需要散熱器。與開關電源的小尺寸相比，僅這兩個組件就增加了非常笨重和笨重的設備。

首選應用

線性穩壓器以其效率低和尺寸大而聞名，但它們確實提供無噪聲輸出電壓。這使得它們非常適合任何需要高頻和低噪聲的器件，例如：

• 控制電路
• 低噪聲放大器
• 信號處理器
• 自動化和實驗室測試設備
• 數據采集傳感器和電路
  

優點和缺點

可能體積龐大且效率低下，但其低噪聲非常適合噪聲敏感型應用。此拓撲需要考慮的一些優點和缺點包括：
優勢

簡單的應用程序。線性穩壓器可以作為整個封裝實現，并添加到一個電路中，只需兩個額外的濾波電容。這使得任何技能水平的工程師都可以輕松地從頭開始規劃和設計。
低成本。如果您的設備需要的功率輸出小于10W，則與開關電源相比，組件和制造成本要低得多。
低噪聲/紋波。線性穩壓器具有非常低的輸出電壓紋波和高帶寬。這使得它們成為任何噪聲敏感型應用的理想選擇，包括通信和無線電設備。
劣勢

靈活性有限。線性穩壓器只能用于降壓電壓。對于AC-DC電源，需要在線性電源之前放置具有整流和濾波功能的變壓器，這將增加總體成本和工作量。
有限的輸出。線性穩壓電源僅提供一個輸出電壓。如果您需要更多，則需要為每個所需的輸出添加一個單獨的線性穩壓器。
效率差。由于散熱，平均線性穩壓器件的效率在30%-60%之間。它還需要添加散熱器，這增加了設備的尺寸和重量。
在當今節能設備的時代，線性穩壓電源的不良效率等級可能是一個交易殺手。對于24V輸出，一個普通的電源將以約 60% 的效率工作。當您考慮100W輸入時，您看到的是40W的功率損失。
在考慮使用之前，我們強烈建議您考慮從輸入到輸出的功率損耗。您可以使用以下公式快速估算效率：

開關模式電源
開關電源于20世紀70年代推出，并迅速成為向電子設備提供直流電源的最流行方式。是什么讓它們如此偉大？與線性穩壓器相比，其高效率和高性能尤為突出。

您的典型交流適配器包括一個開關模式電源

它們是如何工作的
開關模式電源通過脈寬調制（PWM）調節輸出電壓。該過程會產生高頻噪聲，但它在小尺寸內提供了高效率額定值。當插入交流電源時，115V或230VAC首先由一組二極管和電容器進行整流和平滑，從而提供高壓直流電。然后使用一個小型鐵氧體變壓器和一組晶體管降低該高直流電壓。降壓過程仍保持200kHz至500kHz之間的高開關頻率。
低直流電壓最終通過另一組二極管、電容器和電感器轉換為穩定的直流輸出。保持輸出電壓一致所需的任何調節都通過調整高頻波形的脈沖寬度來處理。該調節過程通過反饋電路工作，該反饋電路持續監控輸出電壓并根據需要控制PWM信號的開關比。

這是一個開關模式電源，其部件比線性穩壓多一噸

首選應用

您最常會發現開關電源用于電池壽命和溫度很重要的應用，例如：

• 電解、廢物處理或燃料電池應用
• 直流電機、槽車、航空和船舶應用
• 研發、制造和測試設備
• 用于航空和車輛的鋰離子電池的電池充電
• 電鍍、陽極氧化和電鑄工藝
  

優點和缺點

開關電源可能比線性穩壓器具有更高的效率，但其噪聲使其成為無線電和通信應用的不良選擇。此拓撲需要考慮的一些優點和缺點包括：
優勢

外形小巧。SMPS中的降壓變壓器以高頻率工作，從而減小了其體積和重量。這使得開關電源的外形尺寸比線性穩壓器小得多。
高效率。開關電源中的電壓調節在不耗散過多熱量的情況下進行。SMPS效率可高達85%-90%。
靈活的應用。可以在開關電源中增加額外的繞組，以提供多個輸出電壓。變壓器隔離的SMPS還可以提供與輸入電壓無關的輸出電壓。

劣勢
復雜的設計。與線性穩壓器相比，規劃和設計開關電源通常由電源專家負責。如果您打算在沒有仔細研究或經驗的情況下設計自己的電源，這不是最好的選擇電源。
高頻噪聲。MOSFET在開關電源內的開關操作在輸出電壓中提供高頻噪聲。這通常需要在噪聲敏感型器件中使用RF屏蔽和EMI濾波器。
成本更高。對于10W或更低的功率輸出，使用線性的IC更便宜。
開關電源將繼續存在，是噪聲不敏感應用的首選電源。這包括手機充電器、直流電機等設備。

線性穩壓器與SMPS的比較
現在，我們將看一下并排比較線性和開關電源之間的最終比較。您需要考慮的一些最重要的要求，包括尺寸/重量、輸入電壓范圍、效率額定值和噪聲水平等因素。