【導讀】在(zai)高(gao)效(xiao)率(lv)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)的(de)場(chang)合(he)
，開(kai)關(guan)穩(wen)壓(ya)器(qi)是(shi)電(dian)壓(ya)調(tiao)節(jie)的(de)理(li)想(xiang)選(xuan)擇(ze)。但(dan)是(shi)，開(kai)關(guan)穩(wen)壓(ya)器(qi)仍(reng)然(ran)會(hui)消(xiao)耗(hao)一(yi)些(xie)能(neng)量(liang)，而(er)且(qie)開(kai)關(guan)噪(zao)聲(sheng)可(ke)能(neng)是(shi)一(yi)個(ge)挑(tiao)戰(zhan)。利(li)用(yong) Analog Device 的直通特性，用戶可以實現效率的顯著提升和無噪聲運行。負載對電壓波動的承受能力越強，潛在效益越大。

向 24 V 直流 (DC) 電機提供輸入電壓的一種方法是將標稱 24 V 電源連接到其端子，再扳動開關接通電源。電機將會運轉良好。但是，標稱電壓電源的問題在於電壓會波動，例如，它可能上升到 38 V 或下降到 15 V。雖然這種電壓波動可能不會損壞像直流電機這樣相對穩健的設備
，但肯定會影響其性能。對於敏感的汽車、航空電子或電信應用而言，情況就不同了。在這些及其他許多產品中，欠壓或過壓可能會造成永久性損壞。

如果輸入電源不符合直流電機的要求
，還會帶來進一步的挑戰。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，後果會很嚴重。

直流穩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）下可保持精密調節的穩壓輸出。因此，即使輸入在 38 V 到 15 V 之間變化，穩壓器也能提供穩定的 24 V 輸出，上下波動幅度隻有幾個百分點。穩壓器也能輕鬆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 電機供電。

電壓調節的功耗

電壓調節的商用方案有很多。最簡單的是低壓差 (LDO) 線性穩壓器。LDO 易於導入設計中，所需的外部元器件很少；此外，LDO 相對便宜且結構緊湊。一個明顯的缺點是，LDO 隻能提供比輸入低的輸出。當 24 V 電源降至其標稱值以下時，LDO 就無能為力了。

LDO 的另一個潛在缺點是效率低下。LDO 本質上使用電阻分壓器網絡來調節電壓，因此輸入電壓和輸出電壓之差越大，內部功耗越大

，溫升越高。例如，如果使用 LDO 將 48 V 電源調節到 24 V，穩壓器的工作效率將在 50% 左右。在人們盡可能節約能源的時代，這種“揮霍浪費”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 的改進方案

開關穩壓器可提高電壓調節任務的效率。其工作原理十分複雜，但調節基本上是通過如下方式實現的：高頻開關晶體管對，以周期性地給一個或多個電感器充電，然後電感器將其能量耗散給負載，準備好在下一個周期再次充電。與 LDO 不同，電壓調節不是使用電阻網絡對輸入電壓進行分壓來實現的。它有效消除了與線性器件相關的大多數效率低下問題。

因此
，如果使用現代開關穩壓器從 48 V 輸入提供 24 V 輸出，我們可以合理地預期其效率會遠高於 90%（在某些設計約束範圍內）。更妙的是，開關穩壓器的輸出電壓可以高於（“升壓”）也可以低於（“降壓”）輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)。許(xu)多(duo)器(qi)件(jian)可(ke)以(yi)在(zai)升(sheng)壓(ya)和(he)降(jiang)壓(ya)這(zhe)兩(liang)種(zhong)模(mo)式(shi)之(zhi)間(jian)無(wu)縫(feng)切(qie)換(huan)。因(yin)此(ci)，即(ji)使(shi)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)在(zai)較(jiao)低(di)和(he)較(jiao)高(gao)電(dian)壓(ya)之(zhi)間(jian)擺(bai)動(dong)


，穩(wen)壓(ya)器(qi)也(ye)能(neng)有(you)效(xiao)地(di)提(ti)供(gong)穩(wen)定(ding)的(de) 24 V 電壓，以使直流電機保持運轉（圖 2）。

圖 2：最簡單形式的開關降壓/升壓穩壓器包括一個晶體管、兩個二極管、一個電感器和一個電容器。（圖片來源：Analog Devices）

開關穩壓器也有一些缺點：複雜、昂貴，並且需要大量外部元器件
；這些元器件不僅占用空間，而且需要相當高超的設計技能來適當地選型。最大的挑戰或許來自高頻開關。這種開關不僅會產生電磁幹擾 (EMI)
，而且會在輸出電壓上產生可辨別的紋波。這兩種影響都可以通過設計良好的濾波電路來緩解，但無法消除。

提升效率

kaiguanwenyaqisuiranjuyouchusedexiaolv，danbingbuwanmei。gonghaodezhuyaolaiyuanshijingtiguandaotongshidezhiliusunhaohezhuangtaigaibianshidekaiguansunhao。zhizaoshangzaiqichanpinzhongcaiyongleyixieqiaomiaodeshouduan，yitigaotedingmoshixiadegongzuoxiaolv。liru
，duanxudaodianmoshi (DCM) 可防止穩壓器的電感電流在低輸出電流下逆轉方向。這有助於提高輕負載時的效率。

dangjindekaiguanwenyaqijishizaibingbuxuyaotiaojiedeshihouyehuijinxingtiaojie，zaiciguochengzhongnengliangbeibaibaixiaohao。danshi
，youyigejiqiaodaomuqianweizhishangweidedaochongfenliyong。kaolvshiyongbiaocheng 24 V 電源為 24 V 直流電機供電的例子。雖然電源電壓的變化幅度可能很大，但會有很多時候它是在 24 V，或者至少非常接近 24 V。在這些時候
，我們可以停止調節電壓，從而消除傳導和開關損耗以及穩壓器引起的其他功率損耗
，以提高效率。

這一技術已由 Analog Devices 通過“直通”模式實現了商用。LT8210EFE 降壓-升壓穩壓器等產品已整合這項技術（圖 3）。該穩壓器具有兩對高壓側和低壓側晶體管，可將 2.8 V 至 100 V 輸入轉換為 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晶體管流過 LT8210。效率非常高，而且不會產生噪聲。（圖片來源：Analog Devices）

在zai直zhi通tong模mo式shi下xia，該gai器qi件jian的de兩liang個ge高gao壓ya側ce開kai關guan永yong久jiu導dao通tong
，允yun許xu未wei經jing調tiao節jie的de電dian壓ya直zhi接jie流liu過guo器qi件jian，而er兩liang個ge低di壓ya側ce開kai關guan永yong久jiu關guan斷duan。根gen據ju通tong過guo穩wen壓ya器qi的de電dian流liu和he電dian壓ya，有you可ke能neng實shi現xian接jie近jin 100% 的效率。更妙的是，直通模式下不會產生 EMI 或輸出電壓紋波。

保持低溫

LT8210 的直通區間可以通過設定高低調節閾值來設置。例如

，用戶可能需要標稱 12 V 輸出供負載使用
，同時知道負載可以安全地承受 8 V 至 16 V 的未調節電壓。因此，用戶可為該範圍設置直通模式
；當電源電壓處於該範圍內時，效率會非常高。若電源電壓低於 8 V，穩壓器將開啟以將電壓提升至 8 V；若電源電壓高於 16 V，穩壓器將開啟以將電壓降低至 16 V（圖 4）。

圖 4：LT8210 支持設置直通區間。調節僅發生在該區間之外。請注意在直通區間運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，其基於 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。該板可用於展示直通模式對元器件溫度等參數的積極影響（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 輸出時的溫度曲線，負載電流為 2 A。圖 (b) 為該演示板在直通模式下工作時的溫度曲線，電源電壓為 45 V，負載電流為 2 A。（圖片來源：Analog Devices）

總結

在(zai)高(gao)效(xiao)率(lv)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)的(de)場(chang)合(he)

，開(kai)關(guan)穩(wen)壓(ya)器(qi)是(shi)電(dian)壓(ya)調(tiao)節(jie)的(de)理(li)想(xiang)選(xuan)擇(ze)。但(dan)是(shi)，開(kai)關(guan)穩(wen)壓(ya)器(qi)仍(reng)然(ran)會(hui)消(xiao)耗(hao)一(yi)些(xie)能(neng)量(liang)
，而(er)且(qie)開(kai)關(guan)噪(zao)聲(sheng)可(ke)能(neng)是(shi)一(yi)個(ge)挑(tiao)戰(zhan)。利(li)用(yong) Analog Device 的直通特性，用戶可以實現效率的顯著提升和無噪聲運行。負載對電壓波動的承受能力越強
，潛在效益越大。

(作者：Steven Keeping)

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