线性稳压电源与开关模式电源

电源时间：您的下一个电子项目是否需要线性稳压或开关电源？
日常电子设备，特别是那些带有集成电路的设备，需要一个可靠的直流电压源，可以始终供电而不会出现任何打嗝。在这篇博客中，我们将介绍两种电源设计拓扑结构，供您在下一个项目中考虑，即线性稳压和开关电源。您选择的电源最终取决于您对效率、空间、输出调节、瞬态响应时间和成本的要求。

线性稳压电源

直到20世纪70年代，线性稳压器一直是将交流电（AC）转换为电子设备稳定直流电（DC）的首选电源。虽然这种电源类型在今天并不普遍使用，但它仍然是需要最小噪声和纹波的应用的最佳选择。

它们可能体积庞大，但是无噪声的

它们是如何工作的
允许线性稳压器发挥作用的主要部件是钢或铁变压器。此转换器提供两个功能：

• 它充当屏障，将高压交流输入与低压直流输入分开，从而过滤掉进入输出电压的任何噪声。
• 它将交流输入从115V/230V降至约30V，然后可转换为稳定的直流电压。
  

交流电压首先由变压器降低，然后由几个二极管整流。然后通过一对大型电解电容器将其平滑成低直流电压。然后，使用晶体管或集成电路将这种低直流电压调节为稳定的输出电压。

这是一个带有线性稳压器的电源

线性电源中的稳压器充当可变电阻器。这允许输出电阻值发生变化，以匹配输出功率要求。由于稳压器不断抵抗电流以保持电压，因此它也充当功率耗散装置。这意味着有用的功率不断以热量的形式损失，以保持电压电平恒定。

变压器已经是印刷电路板（PCB）上的一个大型组件。由于恒定的功率和散热，线性稳压器电源将需要散热器。与开关电源的小尺寸相比，仅这两个组件就增加了非常笨重和笨重的设备。

首选应用

线性稳压器以其效率低和尺寸大而闻名，但它们确实提供无噪声输出电压。这使得它们非常适合任何需要高频和低噪声的器件，例如：

• 控制电路
• 低噪声放大器
• 信号处理器
• 自动化和实验室测试设备
• 数据采集传感器和电路
  

优点和缺点

可能体积庞大且效率低下，但其低噪声非常适合噪声敏感型应用。此拓扑需要考虑的一些优点和缺点包括：
优势

简单的应用程序。线性稳压器可以作为整个封装实现，并添加到一个电路中，只需两个额外的滤波电容。这使得任何技能水平的工程师都可以轻松地从头开始规划和设计。
低成本。如果您的设备需要的功率输出小于10W，则与开关电源相比，组件和制造成本要低得多。
低噪声/纹波。线性稳压器具有非常低的输出电压纹波和高带宽。这使得它们成为任何噪声敏感型应用的理想选择，包括通信和无线电设备。
劣势

灵活性有限。线性稳压器只能用于降压电压。对于AC-DC电源，需要在线性电源之前放置具有整流和滤波功能的变压器，这将增加总体成本和工作量。
有限的输出。线性稳压电源仅提供一个输出电压。如果您需要更多，则需要为每个所需的输出添加一个单独的线性稳压器。
效率差。由于散热，平均线性稳压器件的效率在30%-60%之间。它还需要添加散热器，这增加了设备的尺寸和重量。
在当今节能设备的时代，线性稳压电源的不良效率等级可能是一个交易杀手。对于24V输出，一个普通的电源将以约 60% 的效率工作。当您考虑100W输入时，您看到的是40W的功率损失。
在考虑使用之前，我们强烈建议您考虑从输入到输出的功率损耗。您可以使用以下公式快速估算效率：

开关模式电源
开关电源于20世纪70年代推出，并迅速成为向电子设备提供直流电源的最流行方式。是什么让它们如此伟大？与线性稳压器相比，其高效率和高性能尤为突出。

您的典型交流适配器包括一个开关模式电源

它们是如何工作的
开关模式电源通过脉宽调制（PWM）调节输出电压。该过程会产生高频噪声，但它在小尺寸内提供了高效率额定值。当插入交流电源时，115V或230VAC首先由一组二极管和电容器进行整流和平滑，从而提供高压直流电。然后使用一个小型铁氧体变压器和一组晶体管降低该高直流电压。降压过程仍保持200kHz至500kHz之间的高开关频率。
低直流电压最终通过另一组二极管、电容器和电感器转换为稳定的直流输出。保持输出电压一致所需的任何调节都通过调整高频波形的脉冲宽度来处理。该调节过程通过反馈电路工作，该反馈电路持续监控输出电压并根据需要控制PWM信号的开关比。

这是一个开关模式电源，其部件比线性稳压多一吨

首选应用

您最常会发现开关电源用于电池寿命和温度很重要的应用，例如：

• 电解、废物处理或燃料电池应用
• 直流电机、槽车、航空和船舶应用
• 研发、制造和测试设备
• 用于航空和车辆的锂离子电池的电池充电
• 电镀、阳极氧化和电铸工艺
  

优点和缺点

开关电源可能比线性稳压器具有更高的效率，但其噪声使其成为无线电和通信应用的不良选择。此拓扑需要考虑的一些优点和缺点包括：
优势

外形小巧。SMPS中的降压变压器以高频率工作，从而减小了其体积和重量。这使得开关电源的外形尺寸比线性稳压器小得多。
高效率。开关电源中的电压调节在不耗散过多热量的情况下进行。SMPS效率可高达85%-90%。
灵活的应用。可以在开关电源中增加额外的绕组，以提供多个输出电压。变压器隔离的SMPS还可以提供与输入电压无关的输出电压。

劣势
复杂的设计。与线性稳压器相比，规划和设计开关电源通常由电源专家负责。如果您打算在没有仔细研究或经验的情况下设计自己的电源，这不是最好的选择电源。
高频噪声。MOSFET在开关电源内的开关操作在输出电压中提供高频噪声。这通常需要在噪声敏感型器件中使用RF屏蔽和EMI滤波器。
成本更高。对于10W或更低的功率输出，使用线性的IC更便宜。
开关电源将继续存在，是噪声不敏感应用的首选电源。这包括手机充电器、直流电机等设备。

线性稳压器与SMPS的比较
现在，我们将看一下并排比较线性和开关电源之间的最终比较。您需要考虑的一些最重要的要求，包括尺寸/重量、输入电压范围、效率额定值和噪声水平等因素。