電壓調節器如何工作

電壓調節器是許多電路中常見的功能,可確保向敏感電子設備提供恆定穩定的電壓。 它們如何操作是許多模擬電路的典型特徵,明智而優雅地使用反饋來將輸出調整到所需的水平。

電壓調節器概述

當需要穩定,可靠的電壓時,電壓調節器就是最理想的組件。 電壓調節器在固定電壓電平或可調節電壓電平(通過選擇正確的外部元件)下,輸入電壓並創建一個穩定的輸出電壓,而不管輸入電壓如何。 這種輸出電壓電平的自動調節由各種反饋技術處理,其中一些像齊納二極管一樣簡單,另一些包括複雜的反饋拓撲,可以提高性能,可靠性和效率,並增加其他功能,例如將輸出電壓升高到高於輸入電壓電壓調節器。

線性穩壓器如何工作

保持一個固定電壓的未知和可能有嘈雜(或更差)的輸入需要一個反饋信號來知道需要做什麼調整。 線性穩壓器使用功率晶體管 (根據所使用的器件使用BJT或MOSFET)作為可變電阻器,其行為與分壓器網絡的前半部分類似。 分壓器的輸出用作反饋以適當地驅動功率晶體管以保持恆定的輸出電壓。 不幸的是,由於晶體管的行為類似於電阻器,因此通過將其轉化為熱量來消耗大量能量,這通常會產生大量熱量。 由於轉換為熱量的總功率等於輸入電壓和輸出電壓之間的電壓降乘以所提供的電流,因此功耗通常非常高並且需要良好的散熱器。

線性穩壓器的另一種形式是分流穩壓器,例如齊納二極管 。 典型的線性穩壓器不是像可變串聯電阻那樣工作,而是通過一個並聯穩壓器提供一個接地路徑,以便讓過電壓(和電流)流過。 不幸的是,這種類型的調節器通常比典型的串聯線性調節器效率更低,並且僅在需要和供應非常少的功率時才實用。

開關穩壓器如何工作

開關穩壓器的工作原理與線性穩壓器完全不同。 開關穩壓器不是用電壓或電流吸收器來提供恆定輸出,而是將能量儲存在規定的電平,並使用反饋來確保電荷電平保持最小的電壓紋波。 這種技術只有在能量存儲電路需要突發能量時,才能使開關穩壓器通過完全開啟晶體管(具有最小電阻)而更高效地工作。 由於它從導通(非常低的電阻)轉換到非導通(非常高的電阻)以及其他小的電路損耗,這會將系統浪費的總功率降低到開關期間晶體管的電阻。

開關調節器切換越快,維持所需輸出電壓所需的能量儲存容量越小,這意味著可以使用更小的組件。 然而,更快切換的成本是效率損失,因為在導通狀態和非導通狀態之間花費更多時間,這意味著由於電阻加熱而導致更多的功率損失。

快速開關的另一個副作用是開關穩壓器產生的電子噪聲增加。 通過使用不同的開關技術,開關穩壓器可以降低輸入電壓(降壓拓撲),升高電壓(升壓拓撲),或降低或升高電壓(降壓 - 升壓),以保持所需的輸出電壓這使開關穩壓器成為許多電池供電應用的絕佳選擇,因為隨著電池放電,開關穩壓器可以升高或提升電池的輸入電壓。 這使得電子器件能夠繼續運行,超過電池可以直接為電路提供正確電壓的點。