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線性穩壓電源與開關電源之間的區別

知識百科

穩壓電源(stabilized voltage supply)是能為負載提供穩定的交流電或直流電的電子裝置， 包括交流穩壓電源和直流穩壓電源兩大類 。 當電網電壓或負載出現瞬間波動時， 穩壓電源會以10-30ms的響應速度對電壓幅值進行補償， 使其穩定在±2%以內 。
知道了什么是穩壓電源， 接下來跟隨小編一起來了解一下什么是線性穩壓電源和開關電源， 線性穩壓電源和開關電源有什么區別呢？
 
線性穩壓電源和開關穩壓電源對比分析
根據調整管的工作狀態， 我們常把穩壓電源分成兩類：線性穩壓電源和開關穩壓電源 。
線性穩壓電源， 是指調整管工作在線性狀態下的穩壓電源 。 而在開關電源中則不一樣， 開關管(在開關電源中， 我們一般把調整管叫做開關管)是工作在開、關兩種狀態下的：開 電阻很??；關 電阻很大 。
【線性穩壓電源與開關電源之間的區別】

線性穩壓電源與開關電源之間的區別

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開關電源是一種比較新型的電源 。 它具有效率高， 重量輕， 可升、降壓， 輸出功率大等優點 。 但是由于電路工作在開關狀態， 所以噪聲比較大 。 通過下圖， 我們來簡單的說說降壓型開關電源的工作原理 。 如圖所示， 電路由開關K(實際電路中為三極管或者場效應管)， 續流二極管D， 儲能電感L， 濾波電容C等構成 。 當開關閉合時， 電源通過開關K、電感L給負載供電， 并將部分電能儲存在電感L以及電容C中 。
由于電感L的自感， 在開關接通后， 電流增大得比較緩慢， 即輸出不能立刻達到電源電壓值 。 一定時間后， 開關斷開， 由于電感L的自感作用(可以比較形象的認為電感中的電流有慣性作用)， 將保持電路中的電流不變， 即從左往右繼續流 。 這電流流過負載， 從地線返回， 流到續流二極管D的正極， 經過二極管D， 返回電感L的左端， 從而形成了一個回路 。 通過控制開關閉合跟斷開的時間(即PWM——脈沖寬度調制)， 就可以控制輸出電壓 。 如果通過檢測輸出電壓來控制開、關的時間， 以保持輸出電壓不變， 這就實現了穩壓的目的 。
在開關閉合期間， 電感存儲能量；在開關斷開期間， 電感釋放能量， 所以電感L叫做儲能電感 。 二極管D在開關斷開期間， 負責給電感L提供電流通路， 所以二極管D叫做續流二極管 。
在實際的開關電源中， 開關K由三極管或場效應管代替 。 當開關斷開時， 電流很??；當開關閉合時， 電壓很小， 所以發熱功率U&TImes；I就會很小 。 這就是開關電源效率高的原因 。
看過完兩個關于電源的FAQ后， 大家可能對電源的效率計算還不了解 。 在后面的FAQ中， 我們將專門給大家介紹 。
常見的用于開關電源的芯片有：TL494， LM2575， LM2673， 34063， 51414等等 。
根據調整管的工作狀態， 我們常把穩壓電源分成兩類：線性穩壓電源和開關穩壓電源 。 此外， 還有一種使用穩壓管的小電源 。
這里說的線性穩壓電源， 是指調整管工作在線性狀態下的直流穩壓電源 。 調整管工作在線性狀態下， 可這么來理解：RW(見下面的分析)是連續可變的， 亦即是線性的 。 而在開關電源中則不一樣， 開關管(在開關電源中， 我們一般把調整管叫做開關管)是工作在開、關兩種狀態下的：開——電阻很??；關——電阻很大 。 工作在開關狀態下的管子顯然不是線性狀態 。
線性穩壓電源是比較早使用的一類直流穩壓電源 。 線性穩壓直流電源的特點是：輸出電壓比輸入電壓低；反應速度快， 輸出紋波較小；工作產生的噪聲低；效率較低(現在經常看的LDO就是為了解決效率問題而出現的)；發熱量大(尤其是大功率電源)， 間接地給系統增加熱噪聲 。
工作原理：我們先用下圖來說明線性穩壓電源調節電壓的原理 。 如下圖所示， 可變電阻RW跟負載電阻RL組成一個分壓電路， 輸出電壓為：
Uo=Ui&TImes；RL/(RW+RL)， 因此通過調節RW的大小， 即可改變輸出電壓的大小 。 請注意， 在這個式子里， 如果我們只看可調電阻RW的值變化， Uo的輸出并不是線性的， 但如果把RW和RL一起看， 則是線性的 。 還要注意， 我們這個圖并沒有將RW的引出端畫成連到左邊， 而畫在右邊 。 雖然這從公式上看并沒有什么區別， 但畫在右邊， 卻正好反映了“采樣”和“反饋”的概念----實際中的電源， 絕大部分都是工作在采樣和反饋的模式下的， 使用前饋方法很少， 或就是用了， 也只是輔助方法而已 。
讓我們繼續：如果我們用一個三極管或者場效應管， 來代替圖中的可變阻器， 并通過檢測輸出電壓的大小， 來控制這個“變阻器”阻值的大小， 使輸出電壓保持恒定， 這樣我們就實現了穩壓的目的 。 這個三極管或者場效應管是用來調整電壓輸出大小的， 所以叫做調整管 。
像圖1所示的那樣， 由于調整管串聯在電源跟負載之間， 所以叫做串聯型穩壓電源 。 相應的， 還有并聯型穩壓電源， 就是將調整管跟負載并聯來調節輸出電壓， 典型的基準穩壓器TL431就是一種并聯型穩壓器 。 所謂并聯的意思， 就是象圖2中的穩壓管那樣， 通過分流來保證衰減放大管射極電壓的“穩定”， 也許這個圖并不能讓你一下子看出它是“并聯”的， 但細心一看， 確實如此 。 不過， 大家在此還要注意一下：此處的穩壓管， 是利用它的非線性區工作的， 因此， 如果認為它是一個電源， 它也是一個非線性電源 。 為了便于大家理解， 回頭我們找一個理適合的圖來看， 直到可以簡明地看懂為止 。
由于調整管相當于一個電阻， 電流流過電阻時會發熱， 所以工作在線性狀態下的調整管， 一般會產生大量的熱， 導致效率不高 。 這是線性穩壓電源的一個最主要的一個缺點 。 想要更詳細的了解線性穩壓電源， 請參看模擬電子線路教科書 。 這里我們主要是幫助大家理清這些概念以及它們之間的關系 。
線性穩壓電源與開關電源之間的區別

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圖1
一般來說， 線性穩壓電源由調整管、參考電壓、取樣電路、誤差放大電路等幾個基本部分組成 。 另外還可能包括一些例如保護電路， 啟動電路等部分 。 下圖是一個比較簡單的線性穩壓電源原理圖(示意圖， 省略了濾波電容等元件)， 取樣電阻通過取樣輸出電壓， 并與參考電壓比較， 比較結果由誤差放大電路放大后， 控制調整管的導通程度， 使輸出電壓保持穩定 。
線性穩壓電源與開關電源之間的區別

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圖2
常用的線性串聯型穩壓電源芯片有：78XX系列(正電壓型)， 79XX系列(負電壓型)(實際產品中， XX用數字表示， XX是多少， 輸出電壓就是多少 。 例如7805， 輸出電壓為5V)；LM317(可調正電壓型)， LM337(可調負電壓型)；1117(低壓差型， 有多種型號， 用尾數表示電壓值 。 如1117-3.3為3.3V， 1117-ADJ為可調型) 。
1、DC-DC包括boost(升壓)、buck(降壓)、Boost/buck(升/降壓)和反相結構， 具有高效率、高輸出電流、低靜態電流等特點， 隨著集成度的提高， 許多新型DC-DC轉換器的外圍電路僅需電感和濾波電容；但該類電源控制器的輸出紋波和開關噪聲較大、成本相對較高 。
2、LDO：低壓差線性穩壓器的突出優點是具有最低的成本， 最低的噪聲和最低的靜態電流 。 它的外圍器件也很少， 通常只有一兩個旁路電容 。 新型LDO可達到以下指標：30μV輸出噪聲、60dBPSRR、6μA靜態電流及100mV的壓差 。 LDO線性穩壓器能夠實現這些特性的主要原因在于內部調整管采用了P溝道場效應管， 而不是通常線性穩壓器中的PNP晶體管 。
P溝道的場效應管不需要基極電流驅動， 所以大大降低了器件本身的電源電流；另一方面， 在采用PNP管的結構中， 為了防止PNP晶體管進入飽和狀態降低輸出能力， 必須保證較大的輸入輸出壓差；而P溝道場效應管的壓差大致等于輸出電流與其導通電阻的乘積， 極小的導通電阻使其壓差非常低 。 當系統中輸入電壓和輸出電壓接近時， LDO是最好的選擇， 可達到很高的效率 。 所以在將鋰離子電池電壓轉換為3V電壓的應用中大多選用LDO， 盡管電池最后放電能量的百分之十沒有使用， 但是LDO仍然能夠在低噪聲結構中提供較長的電池壽命 。
線性穩壓電源和開關電源的區別
開關穩壓電源是通過把直流變成高頻脈沖， 然后再進行電磁變換實現電壓變換和穩壓 。 線性穩壓電源是直接串聯一個可控的調整元件對輸入直流電壓進行分壓， 實現電壓變換和穩壓， 本質上相當于串聯一個可變電阻 。
開關穩壓電源效率高， 而且可升壓也可降壓 。 線性穩壓電源只能降壓， 而且效率低 。 開關穩壓電源會產生高頻干擾， 線性穩壓電源則無干擾 。 各有優缺點 。