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开关电源与线性电源浅谈

引言 

随着电子技术的高速发展,电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切,且电子设备都离不开可靠的电源。而我们常见的电源产品基本上分为线性电源与开关电源两大类。这两类电源分别有什么特点呢?另外广大工程师在设计 电源方案时,应该选用哪类电源呢?通过阅读下文,可以轻松得到答案。 

电源类型 

首先我们来了解何为线性电源,何为开关电源;从字面意思可以理解为:使用线性稳压器制作的电源系统便是线性电源,使用开关稳压器制作的电源,便是开关电源。接下来我们介绍线性稳压器与开关稳压器。

线性稳压器 

线性稳压器,是我们常说的LDO,其传输器件工作在线性区,说白了就是电阻分压,只能用于降压变换,输出电流几乎等于输入电流,当输入输出压差大时,系统转换效率较低。 

开关稳压器 

开关稳压器,利用功率管不断的开启与关断,配合储能元器件(电感、电容)来实现能量的传输与变换,实现电压的变换。根据系统电路中器件的连接方式不同,可以实现直流升压、降压、负压、升降压等变换。理想状态下,电感、电容不会有能量损耗,所以系统转换效率相对较高。 

选型依据 

如何针对方案要求,正确的选取电源类型仍是有一定难度;接下来我们通过两个事例来简要说明。 

事例1.方案要求为输入12V,输出5V/2A。 

前面提到,当输入输出压差比较大时,线性电源由于其工作特性决定其转换效率比较低;使用线性电源,其最大 转换效率为5/12*100%=41.67%,系统的整个损耗为(12-5)V*2A=14W ;而使用开关电源,其转换效率至少在90%以上,系统的输入功率为10W/0.9=11.1W,则损耗的功率为11.1-10=1.1W。输出同样的功率,二者的损耗相差超过12倍,若使用线性电源,需要非常大的辅助散热器件,显然此方案选用开关电源最合适。 

事例2.方案要求为输入4.5V,输出 3.3V/0.1A。 

此方案,输入输出压差低,输出功率小,使用线性电源时其转换效率在3.3/4.5*100%=73.3%,系统的整个损耗为(4.5-3.3)V*0.1A=0.12W;使用开关电源效率会在85%以上,损耗在0.06W左右。0.12W的损耗是可以接受的,再考 虑到开关电源系统成本高,系统复杂,此方案选用线性电源最合适。 

总结 

电源类型的选取,首先以性能为准则,性能满足要求后,才会去考虑成本要求;下面总结一下线性电源与开关电源优缺点。 

线性电源 

优点:输出电压纯净、纹波小、噪声低、使用简单; 

缺点:只能实现降压输出,且输入输出压差大时,转换效率低。 

开关电源 

优点:效率高、体积小、功率密度大,可以实现多种电源变换; 

缺点:由于功率管开关和储能器件的电磁变换,输出电压纹波和噪声相对偏大,同时产生电磁骚扰,系统成本相对较高。 

二者各有优缺点,在低压差,小功率场合可以优选线性电源;在大压差,高功率场合,选用开关电源较合适,对一些输入输出电压差比较大,且对电源电压敏感的场合,可以考虑先使用开关电源将输入电压适当降低,在配合LDO给后级提供纯净的电压。

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