24V总线工业应用中线性稳压器与开关式稳压器比较

作者：德州仪器 (TI) 电源管理组产品营销经理Rich Nowakowski和应用工程师兼技术员组成员Robert Taylor

图1 集成MOSFET的开关式（降压）转换器
 

图2 集成、宽输入电压线性稳压器
 

线性稳压器已存在了许多年。一些设计人员仍然把已存在了20多年之久的线性稳压器用于众多新老项目。另一些设计人员则通过离散组件制作出属于自己的线性稳压器。在进行宽范围电压转换时，线性稳压器的简单性是一个难以超越的优势。但是，如果压降过大，则24V总线的低电流应用（例如：工业应用或者HVAC控制等）可能会遇到热问题。幸运的是，设计人员现在有许多选择，可以使用小型、高效、宽输入电压开关式稳压器。

本文将对24V总线、100mA和5V输出的三种不同解决方案进行比较。我们把一个同步降压转换器与一个集成线性稳压器和一个离散线性稳压器进行对比。通过比较它们的尺寸、效率、散热性能、瞬态响应、噪声、复杂度和成本，帮助广大设计人员选择最能满足某个特殊应用要求的解决方案。

比较条件
大多数工业应用都使用24V总线，并要求5V电压来驱动各种负载，例如：逻辑和低电流微处理器等。我们选择100mA的输出电流，原因是它可适应许多逻辑和处理器负载。但是，功耗水平会影响我们使用开关式稳压器还是线性稳压器的决定。图1、2和3所示电路均建立在相同电路板基础上，并使用相同额定值的1µF输入和4.7µF输出陶瓷电容器。

图1所示设计使用一个具有集成MOSFET的同步降压转换器，即德州仪器的TPS54061。注意，该电路并不要求使用一个保护二极管，但却包含了1个电感、5个电容器和4个电阻器。该器件还使用了外部补偿，并使用与图2和图3所示线性电路一样的输入和输出电容器。

图2所示设计使用了一个集成、宽输入电压线性稳压器，即德州仪器的LM317，它是一种具有1.5A输出能力的流行工业标准稳压器。该电路使用2个外部电阻器和2个外部电容器。输入和输出电压的巨大差异，要求双decawatt封装（DDPak）的低热电阻。

图3显示的是一个离散线性稳压器，它使用一个晶体管和一个齐纳二极管，并有2个外部电容器和4个外部电阻器。5.6V下时，齐纳二极管损坏，该电压被馈给NPN晶体管的基极。由于存在基极-发射极压降，输出被调节至~5 V。外部电阻器用于帮助降低NPN晶体管的功耗。

表1概括了这类设计的板面积和组件数目。
线性稳压器解决方案要求使用更多的板面积来缓解电路板上的热问题。全负载下时，所有线性稳压器解决方案的功耗都必须达到约2W。一般而言，1平方英寸板面积内，1W左右的功耗会带来100°C的温升。按照设计，线性稳压器解决方案仅允许40°C的温升。如果不考虑外部组件的数目以及补偿反馈环路和选择电感的大量设计工作，在板面积有限时，同步降压转换器无疑是理想选择。

散热性能
图4所示热图像表明了这类电路板设计的温升情况。这样设计电路板的目的是，让所有电路均不会干扰相邻电路的散热性能。表2表明，开关式稳压器具有低温升，其温度为11°C。输入和输出电压之间存在巨大差异时，相比线性电路，同步整流开关式稳压器的效率表现优异。（参见表3）有趣的是，我们注意到，集成线性电路的温升不同于离散线性电路。由于集成线性稳压器的封装（DDPak）更大，因此它的散热所分布面积也更大。使用SOT-23和SOT223封装的离散线性电路比DDPak小，并拥有更高的封装功耗额定值，从而让散热更加困难。

图3 离散线性稳压器

表1 板面积和组件数目概括表
 

表2 散热性能总结表
 

图4 每种电路的发热情况（白色表示最高温度）


表3 效率和功率损耗总结表

图5 效率与负载电流的关系曲线图


图6 功耗与负载电流的关系曲线图


效率比较
散热性能直接与每种稳压器的效率有关。图5显示了所有三种电路的效率比较情况。正如我们所预测的那样，在轻负载和全负载效率两方面，开关式稳压器均表现优异。在轻负载下，开关损耗和静态电流损耗更加明显，其解释了更轻负载下效率较低的原因。轻负载下时，最好是查看功耗曲线图（图6），而非效率曲线图，因为10mA下50%的效率差异看似为一个较大的余量。但是，负载消耗的电流较小。当输入电压为24V而输出电流为10mA时，开关式稳压器的功耗为2.8mW，集成线性稳压器的功耗则为345mW。在全负载条件下，开关式稳压器的测得功耗为0.093 W，而线性稳压器则为2.06W，其表明余量较宽并且性能获得明显改善。

表3总结了所有三个电路的效率和功耗。注意，离散线性电路的静态电流小于集成线性电路。相比离散线性电路，集成线性稳压器内部电路的功耗更高，并拥有更多的功能。

输出电压特性
模拟电路对电压纹波敏感，而数字处理器则对内核电压的精度敏感。应查看电源的电压纹波、电压调节精度以及负载瞬态期间的电压峰值偏差，这一点很重要。线性稳压器本身的纹波较低，可用于消除开关式稳压器的噪声。在最大负载条件下，集成和离散线性稳压器电路的电压纹波均小于10mV。以输出电压百分比表示时，精度应大于0.2%。另一方面，开关式稳压器的电压纹波为75mV，即输出电压的1.5%。开关式稳压器的陶瓷输出电容器的低等效串联电阻特点，使这种电路的纹波较低，但存在开关式稳压器的固有噪声。

比较空载到全负载时开关式稳压器和线性稳压器的输出电压精度表明，开关式稳压器拥有更高的性能。进一步查看产品规格表，我们可知道，开关式稳压器的基准电压是三种电路中精度最高的。开关式稳压器是一种相对较新的集成电路，并且DC/DC转换器正朝着更高的基准电压精度发展。离散线性电路使用一种更加简单的方法来调节输出电压，其性能最低。在许多情况下，由于调节后输出电压为5V，许多应用不需要高电压精度。

图7到图9显示了负载瞬态曲线图。尽管开关式稳压器拥有高输出电压精度，但其在负载瞬态期间测得的峰值到峰值电压并没有线性电路好。50mA到100mA负载步进期间，开关式稳压器的测得峰值到峰值电压为250mV，即输出电压的5%，而线性电路则为40mV。我们可以为开关式稳压器添加更多输出电容，以降低电压峰值，但是代价是成本和尺寸的增加。注意，离散线性电路的设计目的并非是恢复负载瞬态期间的输出电压。另外，简单电路无法实现限流或者热关断保护功能！

图7 负载瞬态期间的开关式稳压器


图8 负载瞬态期间的集成线性稳压器


图9 负载瞬态期间的离散线性稳压器


表4总结了三种稳压器设计的输出电压特性。

表4 输出电压特性总结表


成本比较
这些电路中使用的大多数外部组件均为小型、无源电阻器和电容器，成本不超过0.01美元。三个电路中成本最高的组件是硅。所有三个材料清单（BOM）的费用（如表5所示），均收集自10000颗批发建议销售定价的美国销售渠道。正如我们所看到的那样，线性稳压器解决方案的成本远低于开关式稳压器。不幸的是，开关式稳压器要求使用一个外部电感，其费用约为0.10美元，但它所带来的效率提高和尺寸缩减值得我们为此多给钱。集成和离散线性稳压器的成本差异仅为0.06美元！单是保护功能就能证明集成线性稳压器相比离散线性稳压器的优势所在。

表5 BOM成本总结表


结论
有许多电源管理解决方案可供设计人员选择，但需根据具体应用需求来选择最佳的解决方案。那些能够降低能耗和节省板空间的电源管理解决方案，使设计人员让其产品具备更加差异化的特性，并在市场上表现出对用户的吸引力。相比线性电路，同步降压转换器的效率更高，板空间更节省。如果某个设计必须实现最低的成本，则可使用离散线性电路，但其性能最低，并且还存在许多潜在问题，例如：散热和缺少保护功能等。

表6总结了所有三种稳压器设计的特性，帮助设计人员为某种具体应用选择最佳解决方案。

表6 24V输入5V/100mA稳压器特性