使用正确的开关稳压器提高效率

作者：Don Horne

投稿人：DigiKey 北美编辑

2025-01-07

在选择合适的开关稳压器时，效率至关重要。当今的小型化设备需要能够以小尺寸提供可靠的电源。

电子设计的基本要求是能够产生能够提供大量电流的稳定电压。开关稳压器是产生稳定电源电压和升高或降低电压的重要组件。

开关稳压器可以有多种名称：切换器或开关、开关模式电源 (SMPS) 以及 DC/DC 稳压器或转换器。由于它们具有满足更高效的高功率转换要求、单个输入电压源稳定输出的灵活性以及适应不同极性的多个输出电压的能力等优势，其受欢迎程度持续增长。

最常见的开关转换器类型有：

• 升压，输入电压升高并调节输出
• 降压，输入电压降压并调节输出
• 降压-升压，输入电压通过负极性选项升高或降低
• 反激式，一种降压-升压型，还提供电流隔离

固定和可调线性稳压器

多年来，电源设计依赖于线性稳压器，事实证明线性稳压器在提供连续固定电压输出方面表现出色。还有其他可调节的线性稳压器，例如 LM317。

流行的固定和线性输出稳压器类型是 78xx 正输出和 79xx 负输出电压系列。这些稳压器可产生 5V 至 24V 范围内的稳定输出。

线性稳压器不是开关模式电源。电压调节器具有简单、成本低的优点。它们的功率输出通常低于 10 W，效率往往较低，从而产生热量，并且具有低噪声和纹波特性。线性稳压器仅具有降压调节功能，而 SMPS 可以使用降压、降压-升压和升压组件提供升压和降压以及输入电压的负压。

开关模式电源系统

大多数现代电视、个人电脑、直流电机驱动器和功率放大器都需要先进、高效的 SMPS，它利用半导体开关技术而不是标准线性方法来提供输出电压。基本开关转换器由功率开关级和控制电路组成。

由于具有较低的功耗，SMPS 通过在饱和“ON”和截止“OFF”状态之间内部切换晶体管（或功率 MOSFET）而具有更高效率的优点。

降压开关稳压器

[ROHM Semiconductor ][BD9x]系列为设计人员提供高效 DC/DC 降压转换器，这是需要高效功率转换的应用（包括汽车和工业设计）的紧凑选择。 BD9x 系列采用简化的设计，减少了组件数量，从而节省了空间并简化了制造流程。它们的低待机电流可延长便携式应用中的电池寿命，同时保持稳定的输出电压以实现可靠的性能，例如[BD9A201FP4-LBZTL]降压开关稳压器（图 1）。

图 1：BD9A201FP4-LBZTL 降压开关稳压器提供稳定的输出电压。 （图片来源：罗姆半导体）

[BD9E105FP4-ZTL]降压开关稳压器（图 2）具有单个可调输出，是一款专为较低电压需求而设计的直流稳压器。 BD9E105FP4-ZTL 稳压器采用低导通电阻功率 MOSFET 和单个同步降压 DC/DC 转换器，可在轻负载条件下提供最高效率。这对于需要最低待机功耗的装置和设备来说是理想的选择。

它具有良好的瞬态响应，在 PCB 上占用空间小，同时在小型封装中提供高功率密度，非常适合冰箱和空调、电信设备、适配器和二次电源设备等家用电器产品。

图 2：BD9E105FP4-ZTL 降压开关稳压器可以满足较低的电压需求。 （图片来源：罗姆半导体）

升压开关稳压器

[MP3414AGJ-Z]升压开关稳压器具有可调输出，其薄型外形有利于空间有限的表面贴装应用。它能够在 -40°C ~ +125°C 的温度范围内轻松运行，并且可以从低至 1.8 V 的输入电压开始工作，同时提供浪涌电流和输出短路保护 (SCP)。

当需要具有输出断开功能的升压转换器时，必须能够在同步电流模式下运行，同时保持高效率。此外，无需外部肖特基二极管，因为集成 P 沟道同步整流器提高了效率。 MP3414A 关闭时的输出断开功能允许完全放电，同时在关闭模式下消耗小于 1 μA 的电源电流。

越小越好

利用 MP3414A 可以减少外部组件的数量。它使用 1 MHz 开关频率，允许使用更小的外部组件，同时其软启动功能最大限度地减少了外部组件数量。它可以处理宽电流负载范围。此外，集成功率MOSFET支持3A以上的峰值开关电流，输出达到5.5V。

这种多功能性和紧凑尺寸的广泛功率非常适合单节锂电池产品（包括两节和三节碱性电池、镍氢电池或镍镉电池）等应用。无线外设、游戏配件、个人医疗设备和便携式媒体播放器都受益于 MP3414A 等升压转换器。

该技术发展迅速，并且变得越来越紧凑。与 SOP-J8 相比，采用 TSOT23 封装的 MP3414AGJ-Z 大约小 72%，从而显着减小了占位面积（图 3）。

图 3：随着组件设计得越来越小，像 TSOT23 这样的封装类型的小型化是必要的。 （图片来源：罗姆半导体）

最大限度地提高效率，同时降低功耗

小型化的需求是持续的驱动力，同时还需要保持可靠性和功率效率。[BD9E202FP4-ZTL] 降压开关稳压器以紧凑的设计提供可调输出和可靠的电源（图 4）。

图 4：BD9E202FP4-ZTL 是一款降压开关稳压器，能够以更小、更紧凑的设计提供可靠的电源。 （图片来源：罗姆半导体）

虽然可能有人认为尺寸变小意味着牺牲负载能力或可靠的电力传输，但事实并非如此。 BD9E202FP4-ZTL 确实提供了高转换效率，同时也有助于降低功耗要求（图 5）。

通过提供低待机电流，电池供电的设备在闲置时可以从最低的功耗中受益。此外，通过恒定的导通时间控制可以实现轻负载期间的高效运行。

图 5：设计人员寻找能够高效可靠地提供服务的高效 DC/DC 降压转换器。 （图片来源：罗姆半导体）

AC/DC 和 DC/DC 反激式转换器

反激转换器是一种包含反激变压器的降压-升压转换器。它可用于 AC/DC 和 DC/DC 转换，其中任何输出和输入之间都存在电流隔离，并提供电压比的倍增以及隔离的附加优势。

隔离式电源转换器具有电压模式控制和电流模式控制作为其两种控制方案。在大多数情况下，电流模式控制应占主导地位，以确保操作时的稳定性。

降压-升压 DC-DC 转换器

输出电压幅度大于或小于输入电压的典型 DC-DC 转换器是降压-升压转换器。产生负电压也是可能的。它类似于反激式转换器，但它不使用变压器，而是使用单个电感器。具体来说，降压-升压转换器由两种不同的拓扑组成，两种拓扑都产生从大于输入到小至零的一系列输出电压。

DC/DC 电源有时被称为“斩波器”，包括降压-升压电路，根据占空比，该电路可用作升压或降压转换器。

结论

如果没有开关稳压器，当今汽车和工业设计的高效电源转换就无法发挥作用。随着当今的设计变得更加紧凑，对保持一致功率水平的多功能、高效组件的需求从未如此强烈。

虽然开关稳压器可能有不同的名称（SMPS、DC/DC 切换器、稳压器或转换器），但 ROHM 为需要高效电源转换的各种应用提供了多种紧凑型选项。

审核编辑 黄宇