【導(dǎo)讀】在高效率非常重要的場合，開關(guān)穩(wěn)壓器是電壓調(diào)節(jié)的理想選擇。但是，開關(guān)穩(wěn)壓器仍然會(huì)消耗一些能量，而且開關(guān)噪聲可能是一個(gè)挑戰(zhàn)。利用 Analog Device 的直通特性，用戶可以實(shí)現(xiàn)效率的顯著提升和無噪聲運(yùn)行。負(fù)載對(duì)電壓波動(dòng)的承受能力越強(qiáng)，潛在效益越大。
向 24 V 直流 (DC) 電機(jī)提供輸入電壓的一種方法是將標(biāo)稱 24 V 電源連接到其端子，再扳動(dòng)開關(guān)接通電源。電機(jī)將會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)良好。但是，標(biāo)稱電壓電源的問題在于電壓會(huì)波動(dòng)，例如，它可能上升到 38 V 或下降到 15 V。雖然這種電壓波動(dòng)可能不會(huì)損壞像直流電機(jī)這樣相對(duì)穩(wěn)健的設(shè)備，但肯定會(huì)影響其性能。對(duì)于敏感的汽車、航空電子或電信應(yīng)用而言，情況就不同了。在這些及其他許多產(chǎn)品中，欠壓或過壓可能會(huì)造成永久性損壞。
如果輸入電源不符合直流電機(jī)的要求，還會(huì)帶來進(jìn)一步的挑戰(zhàn)。例如，常見的直流電源電壓是 48 V。如果將這種電源直接連接到 24 V 電機(jī)，后果會(huì)很嚴(yán)重。
直流穩(wěn)壓器提供了一種簡單的解決方案。顧名思義，該器件在變化的輸入（一定閾值內(nèi)）下可保持精密調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓輸出。因此，即使輸入在 38 V 到 15 V 之間變化，穩(wěn)壓器也能提供穩(wěn)定的 24 V 輸出，上下波動(dòng)幅度只有幾個(gè)百分點(diǎn)。穩(wěn)壓器也能輕松提供與輸入電壓不同的輸出電壓，因此我們可以安全地利用 48 V 電源為 24 V 電機(jī)供電。
電壓調(diào)節(jié)的功耗
電壓調(diào)節(jié)的商用方案有很多。最簡單的是低壓差 (LDO) 線性穩(wěn)壓器。LDO 易于導(dǎo)入設(shè)計(jì)中，所需的外部元器件很少；此外，LDO 相對(duì)便宜且結(jié)構(gòu)緊湊。一個(gè)明顯的缺點(diǎn)是，LDO 只能提供比輸入低的輸出。當(dāng) 24 V 電源降至其標(biāo)稱值以下時(shí)，LDO 就無能為力了。
LDO 的另一個(gè)潛在缺點(diǎn)是效率低下。LDO 本質(zhì)上使用電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)來調(diào)節(jié)電壓，因此輸入電壓和輸出電壓之差越大，內(nèi)部功耗越大，溫升越高。例如，如果使用 LDO 將 48 V 電源調(diào)節(jié)到 24 V，穩(wěn)壓器的工作效率將在 50% 左右。在人們盡可能節(jié)約能源的時(shí)代，這種“揮霍浪費(fèi)”是不可接受的（圖 1）。
圖 1：LDO 的效率與輸出電壓和輸入電壓之比成正比。（圖片來源：Analog Devices）
LDO 的改進(jìn)方案
開關(guān)穩(wěn)壓器可提高電壓調(diào)節(jié)任務(wù)的效率。其工作原理十分復(fù)雜，但調(diào)節(jié)基本上是通過如下方式實(shí)現(xiàn)的：高頻開關(guān)晶體管對(duì)，以周期性地給一個(gè)或多個(gè)電感器充電，然后電感器將其能量耗散給負(fù)載，準(zhǔn)備好在下一個(gè)周期再次充電。與 LDO 不同，電壓調(diào)節(jié)不是使用電阻網(wǎng)絡(luò)對(duì)輸入電壓進(jìn)行分壓來實(shí)現(xiàn)的。它有效消除了與線性器件相關(guān)的大多數(shù)效率低下問題。
因此，如果使用現(xiàn)代開關(guān)穩(wěn)壓器從 48 V 輸入提供 24 V 輸出，我們可以合理地預(yù)期其效率會(huì)遠(yuǎn)高于 90%（在某些設(shè)計(jì)約束范圍內(nèi)）。更妙的是，開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓可以高于（“升壓”）也可以低于（“降壓”）輸入電壓。許多器件可以在升壓和降壓這兩種模式之間無縫切換。因此，即使輸入電壓在較低和較高電壓之間擺動(dòng)，穩(wěn)壓器也能有效地提供穩(wěn)定的 24 V 電壓，以使直流電機(jī)保持運(yùn)轉(zhuǎn)（圖 2）。
圖 2：最簡單形式的開關(guān)降壓/升壓穩(wěn)壓器包括一個(gè)晶體管、兩個(gè)二極管、一個(gè)電感器和一個(gè)電容器。（圖片來源：Analog Devices）
開關(guān)穩(wěn)壓器也有一些缺點(diǎn)：復(fù)雜、昂貴，并且需要大量外部元器件；這些元器件不僅占用空間，而且需要相當(dāng)高超的設(shè)計(jì)技能來適當(dāng)?shù)剡x型。最大的挑戰(zhàn)或許來自高頻開關(guān)。這種開關(guān)不僅會(huì)產(chǎn)生電磁干擾 (EMI)，而且會(huì)在輸出電壓上產(chǎn)生可辨別的紋波。這兩種影響都可以通過設(shè)計(jì)良好的濾波電路來緩解，但無法消除。
提升效率
開關(guān)穩(wěn)壓器雖然具有出色的效率，但并不完美。功耗的主要來源是晶體管導(dǎo)通時(shí)的直流損耗和狀態(tài)改變時(shí)的開關(guān)損耗。制造商在其產(chǎn)品中采用了一些巧妙的手段，以提高特定模式下的工作效率。例如，斷續(xù)導(dǎo)電模式 (DCM) 可防止穩(wěn)壓器的電感電流在低輸出電流下逆轉(zhuǎn)方向。這有助于提高輕負(fù)載時(shí)的效率。
當(dāng)今的開關(guān)穩(wěn)壓器即使在并不需要調(diào)節(jié)的時(shí)候也會(huì)進(jìn)行調(diào)節(jié)，在此過程中能量被白白消耗。但是，有一個(gè)技巧到目前為止尚未得到充分利用。考慮使用標(biāo)稱 24 V 電源為 24 V 直流電機(jī)供電的例子。雖然電源電壓的變化幅度可能很大，但會(huì)有很多時(shí)候它是在 24 V，或者至少非常接近 24 V。在這些時(shí)候，我們可以停止調(diào)節(jié)電壓，從而消除傳導(dǎo)和開關(guān)損耗以及穩(wěn)壓器引起的其他功率損耗，以提高效率。
這一技術(shù)已由 Analog Devices 通過“直通”模式實(shí)現(xiàn)了商用。LT8210EFE 降壓-升壓穩(wěn)壓器等產(chǎn)品已整合這項(xiàng)技術(shù)（圖 3）。該穩(wěn)壓器具有兩對(duì)高壓側(cè)和低壓側(cè)晶體管，可將 2.8 V 至 100 V 輸入轉(zhuǎn)換為 1 V 至 100 V 輸出。
圖 3：在直通模式下，輸入電壓通過永久接通的高壓側(cè)晶體管流過 LT8210。效率非常高，而且不會(huì)產(chǎn)生噪聲。（圖片來源：Analog Devices）
在直通模式下，該器件的兩個(gè)高壓側(cè)開關(guān)永久導(dǎo)通，允許未經(jīng)調(diào)節(jié)的電壓直接流過器件，而兩個(gè)低壓側(cè)開關(guān)永久關(guān)斷。根據(jù)通過穩(wěn)壓器的電流和電壓，有可能實(shí)現(xiàn)接近 100% 的效率。更妙的是，直通模式下不會(huì)產(chǎn)生 EMI 或輸出電壓紋波。
保持低溫
LT8210 的直通區(qū)間可以通過設(shè)定高低調(diào)節(jié)閾值來設(shè)置。例如，用戶可能需要標(biāo)稱 12 V 輸出供負(fù)載使用，同時(shí)知道負(fù)載可以安全地承受 8 V 至 16 V 的未調(diào)節(jié)電壓。因此，用戶可為該范圍設(shè)置直通模式；當(dāng)電源電壓處于該范圍內(nèi)時(shí)，效率會(huì)非常高。若電源電壓低于 8 V，穩(wěn)壓器將開啟以將電壓提升至 8 V；若電源電壓高于 16 V，穩(wěn)壓器將開啟以將電壓降低至 16 V（圖 4）。
圖 4：LT8210 支持設(shè)置直通區(qū)間。調(diào)節(jié)僅發(fā)生在該區(qū)間之外。請(qǐng)注意在直通區(qū)間運(yùn)行期間效率明顯提高。（圖片來源：Analog Devices）
Analog Devices 還提供了一款方便的演示板 DC2814A-C，其基于 LT8210。該演示板在 26 V 至 80 V 輸入下工作，提供 36 V 至 56 V 輸出，最大電流為 2 A。該板可用于展示直通模式對(duì)元器件溫度等參數(shù)的積極影響（圖 5，a 和 b）。
圖 5：圖 (a) 所示為 DC2814A-C 演示板將 60 V 輸入降至 56 V 輸出時(shí)的溫度曲線，負(fù)載電流為 2 A。圖 (b) 為該演示板在直通模式下工作時(shí)的溫度曲線，電源電壓為 45 V，負(fù)載電流為 2 A。（圖片來源：Analog Devices）
總結(jié)
在高效率非常重要的場合，開關(guān)穩(wěn)壓器是電壓調(diào)節(jié)的理想選擇。但是，開關(guān)穩(wěn)壓器仍然會(huì)消耗一些能量，而且開關(guān)噪聲可能是一個(gè)挑戰(zhàn)。利用 Analog Device 的直通特性，用戶可以實(shí)現(xiàn)效率的顯著提升和無噪聲運(yùn)行。負(fù)載對(duì)電壓波動(dòng)的承受能力越強(qiáng)，潛在效益越大。
(作者：Steven Keeping)
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