直流稳压器件的发展演化和选用

袁惠娟+鲁天翱+秦逸平

【摘 要】本文围绕直流电源的发展过程，对各阶段的直流稳压器件性能进行分析与探讨，着重指出了各类稳压器件的优缺点，为设计或选用直流稳压电源方案提供一定的参考依据。

【关键词】直流稳压器件；发展演化；性能分析

随着科技的发展，电子产品已成为人们日常生活和工作的必须品，如手机、电脑、相机等等，电子产品正常工作通常需要直流电压源供电，而直流电压源往往存在工作过程中供电电压波动变化或负载发生变化时导致电压不稳定情况发生，因而直流稳压器应运而生。随着电子器件向小型化、低功耗化、片式化方向开发，新一代集成芯片工作电压越来越低；另外一个产品出现不同单元需要不同直流电压供电要求，因此直流电压器件的发展也是日新月异。

直流稳压器件的发展历程大致可分为：分立线性稳压器→集成线性稳压电源（包括LDO低功耗稳压电源）→PWM开关电源（有用于手机充电器，笔记本电源选配器的AC-DC稳压电源；仪器、设备内部转换电源的DC-DC稳压电源；降压型、升压型、负压型等稳压电源）→谐振式开关电源（有电压谐振式、电流谐振式）→PFC稳压电源（也称为绿色电源）。

完整的线性稳压电源一般由电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路组成，稳压电路中所使用的直流稳压器，其起调节输出电压作用的调整管工作在线性区域，故被称为线性稳压器，此类器件使用简单便捷，成本低廉，因而被广泛使用。早期的线性稳压器件输入输出压差不能低于3V，以一个5V输出的直流稳压器W7805为例，若使其能满负载正常工作，其最低输入电压须为8V；如果输入电压提高到10V，输出电压5V，则自身压降为5V，此时有工作电流输出时，其自身功率耗散和输出功率各占一半，稳压器转换效率为50%；如果把输入电压提高至20V，稳压器上输入输出压差（即管压降）为15V，转换效率仅为25%，这不仅对电能产生了极大无谓浪费，更会导致器件工作温度过高进而造成的工作不稳定和可能的损伤，以及额外增加散热措施等带来的诸多麻烦。

为了解决固有的自身功耗大，转换效率低的难题，线性直流稳压器研制出了低压差稳压器件，简称LDO，早期的代表品种L1086系列稳压器，正常工作时输入输出最低压差只有1.5V，美国麦瑞公司最新生产的L2900系列产品，其最低输入输出电压差仅为0.3V，是传统稳压器要求的十分之一，在此条件下工作不仅提高了电源的利用率，还有效降低了器件自身发热，提高工作稳定性。

有别于传统稳压器较高的固定输出电压，LDO稳压器输出电压基本上从5V开始梯次下降，较为常见的固定输出为3.3V、2.8V、2.5V等，这是满足现在集成电路向低电压低功耗方向发展趋势。与普通稳压器相比，其劣势有二，一是为发挥低压差优势，对输入电压有比较精细要求，限制了宽电压变化输入使用场合；二是其较高的产品价格影响其更多低端场合的普及应用。

早期的开关电源控制芯片是不含开关电源管理器的，如TL494系列，这对整机PCB设计和EMC设计带来不便；目前的电源管理器是将脉宽调制器与开关管集成在一起组成模块，其特点是体积小，电压、电流调整率好；它们分为两类，一类是输入输出不隔离DC-DC型的，如MC34063A，突出优点是转换效率高达85%以上，能在数安培的电流下工作而不产生发热，大大提升工作条件的适应性；另一类如TOP256Y是单端反激式（简称RCC）AC-DC型开关电源，常用于市电输入的隔离型电源输出，电源初级热地和电源输出冷地靠开关变压器或光电耦合器隔离，保证电源输出端对人身的安全，如电视机电源、电动车充电器等。

模块化DC/DC电源变换器自问世以来，随着电路模式的升级换代，在单位功率密度上和转换效率上迅速提高；如LM2596S、XL6009、MT3608等，模块外形尺寸从全砖、半砖、1/4砖向板级小型化发展，小尺寸的DC/DC电源模块能做到1英寸见方、半英寸见方甚至更小，完全实现PCB板上灵活使用；其工作频率从早期的几百KHz提高到上MHz，内部元件的不断优化和零电压、零电流技术到目前的同步整流技术的应用，效率也从早期的60%左右提升到现在的90%以上。与直流稳压器比具有：一、输入电压宽范围下保持高转换效率基本不变；二、可以做到升压輸出；三、内部的电气隔离设计实现了输入输出电压隔离。这些特点使其在高电压输入、大电流工作下为多系统同时供电需进行电气隔离条件时，完成直流稳压器无法胜任的工作，因而使用越来越广泛。

DC/DC电源模块有一个自身无法克服的缺点，即模块内部产生的纹波干扰。因为开关电源的开关管工作时脉冲的上下沿产生的干扰纹波在模块内部无法采取措施彻底消除，因而DC/DC电源模块使用时会在输入输出端都产生较大干扰纹波，影响用电单元正常工作，还会干扰主电源回路，因此使用中必要时需与EMI滤波器配合使用，但这会增加电路体积和使用成本。

为克服开关电压在应用过程中造成对电网电磁污染和电源利用率不高，又研制出了具有功率因素校正电路（Power Factor Correction，PFC）功能的开关稳压电源。如带有源PFC功能的液晶电视输出+24V的开关电源，输入交流电压AC220V经过整流后约得到+310V的脉动直流电压Vc，在Vc和开关管漏极Vd之间接入一个功率因素校正电感L1，例如可由SG6961控制电感L1中的储能以升压的方式叠加到电源线Vd上，不仅使电源线上的电压升高到约+400V，而且使得流过L1输入端的电流波形和输入电压的波形趋于一致，从而达到提高功率因数的目的。

上面对各类器件级的直流电压稳压器进行介绍，根据其不同特点指出应用时各自适用的场合，具体使用时还应根据具体电气要求进一步判断设计。

【参考文献】

[1]“高效率低电磁污染的Boost APFC开关电源的设计与实验研究”李华乐《江苏大学》硕士学位论文，2006.11.

[2]“开关稳压电源的原理及发展”熊文静郑耀林黄传明《仪器仪表用户》 2007.04.

[3]“开关电源原理与应用分析”杨江坤麻银金《科技风》2017.03.

[责任编辑：张涛]endprint