导航:汽车应用中线性稳压器与开关稳压器的比较
Frank Kolanko
安森美半导体
多年以来，人们一直预测汽车应用中的低压降线性稳压器将被逐渐淘汰。但由于低压降稳压器的低成本和易用性，不单生存还茁壮发展。
本文将重点介绍低压降稳压器的复杂性，市场新动态（新发展确实存在），并会谈及随着功耗要求的不断提高，将趋向采用开关稳压器的发展。
那么线性稳压器有哪些新的发展呢？输出电容又有哪些变化？0402格式的陶瓷电容是近期的选择，这是因为最近在材料方面的改进将可用温度范围从125°C提高到150°C，并且贴装技术的改进使其能在热冲击和抗震条件下使用。尺寸减小使电感元件减少，从而提高了高频性能。但是陶瓷电容的关键特点是它们具有低 等效串联电阻（ESR）。
以下例子详细说明了双极线性稳压器的闭环频率响应，重点说明了在保持系统设置和输出电容值相同的情况下，改变输出电容ESR的效果。稳定的ESR为 1欧姆（ohm）的电容（图1）、不稳定的ESR为0.01 ohm的电容（图2）以及更大的ESR为3 ohm的电容之间的区别如图所示。
增益 相位 增益（db） 频率 相角
图 1
频率 增益 相位 相角 增益（db）
图 2
频率 增益 相位 相角 增益
（db）
图 3
“一旦闭环增益大于或等于1时，闭环相位永远不会达到360 ± 30度范围内”。这是有关开关电源的格言，但是在这里非常适用。
输出电流（mA） 输出电流（mA） *33μF电容没有不稳定区域 5V系列 稳定区域 不稳定区域 不稳定区域 稳定区域 不稳定区域
大多数线性稳压器无法测量上述稳定性曲线。作为替代方法，集成电路制造商提供了预期稳定性区域和输出电容ESR值的关系图。图4显示了输出电容ESR不稳定区域和稳定区域的典型区别，其值取决于随着输出电流变化而变化的输出稳压器电压。图5显示了输出电容值决定的不稳定和稳定区域的区别。
图 4 图 5
负载响应时间一般与集成电路稳定产品区域成反比。大多数瞬变要求由外部输出电容补偿。确保为您提供足够大的电容以满足您的要求。
当稳压器加上负载或当器件处于待机模式时，静态电流都将成为一个重要的规格。半导体制造工艺对静态电流产生影响。这可以从图6和图7所示的两种器件的典型性能特性中看到。图6显示了采用双极型工艺制造的器件。图7显示了采用DMOS工艺制造的器件。请注意：采用DMOS工艺制造的器件是平线。
输出电流
图 6（双极型工艺） 图 7（DMOS工艺）
看门狗（Watchdog）稳压器也可以用于节约电流操作，它采用以下方式节约电流：看门狗稳压器向微处理器发送一个唤醒信号。微处理器指令被设定生效时，将向电压稳压器发回一个信号，通知稳压器必须保持稳压。一旦微处理器完成其指令后，便取消发向稳压器的反馈信号。看门狗稳压器辨认此事件后，便向微处理器发回复位信号并将其关闭。这样，再次运行微处理器前吸收的电流将减少。
接地 唤醒 复位 复位 继电器 R延迟
图 8, 看门狗环路
集成电路稳压器领域的另一新节电方案是将无需使用的器件进行暂时断电，不即时需要的稳压器的任何部分将被断电，且在脉冲模式下工作。在脉冲模式下关断电路可以实现节电效果。这种方案的优点是在轻载条件下，由于高温（环境温度上升或片上功率引起的裸片温度提高所致）而出现泄漏电流，使得此类工作停止。
虽然双线性稳压器本身不是节约静态电流的器件，但是可节约功率或系统功耗。现在已有数种微处理器要求双电源电压供电。对芯核供电需要一个电源（通常电压较低），第二个电源用于对输入/输出供电。达到封装的热量限制后，降低芯核电源可使片上容纳更多的晶体管。
封装是另一个取得进展的领域，使单个封装中得到更大的功耗。采用金属焊接框材料（裸露焊盘）可以改善热阻。与塑料产品相比，热量可以通过金属连接进行更加有效的耗散。图9是典型的裸露焊盘（epad）封装。此器件采用尺寸为 150mil x 184mil的300 mil 16引脚SOW裸露焊盘封装。
裸露焊盘 背面 150 mil 184 mil
图 9, 裸露焊盘
超过制造商对温度的限制（结温通常为150°C）会立即损坏集成电路，或者因为集成电路、打线和塑料封胶之间膨胀系数引起应力提高而使寿命缩短。故障率随着温度升高呈指数级上升。提高这些电气元件的可接受工作温度的研发工作正在进行中。
与上述所有线性稳压器选件相比，开关稳压器将会有更广泛的用途。由于外部元件数量和成本均高于线性稳压器，因此开关稳压器的价格更高，此外还需将故障检修的隐藏成本考虑在内。仅从名称上看，开关稳压器意味着需要专门的电磁干扰（EMI）知识和教育。
毫无疑问，开关稳压器的效率更高，可达90%。图10显示了降压开关稳压器的典型效率。相比之下，线性稳压器的效率要低得多。
负载电流 线性
稳压器
图 10, 开关稳压器的效率 图 11, 线性稳压器设置
线性稳压器中的功率损耗（参见图11）就是负载电流（不理会任何静态电流）乘以输入和输出之间的电压。在这种情况下，稳压器（14V – 5V）上的电压为9V且效率为35.7%，与负载无关，但取决于输入电压，这将在下一个实例中说明。
| 线性稳压器的效率 | | | | | | | |
| 负载电流 | 输出功率（在5V时） | 功率损耗 | 总功率 | 效率 | |||
| 100mA | 500mW | 900mW | 1.4W | 35.70% | |||
| 200mA | 1W | 1.8W | 2.8W | 35.70% | |||
| 300mA | 1.5W | 2.7W | 4.2W | 35.70% | |||
| 400mA | 2W | 3.6W | 5.6W | 35.70% | |||
| 500mA | 2.5W | 4.5W | 7W | 35.70% | |||
表 1
提高线性稳压器效率的唯一方法是降低其电压。在该稳压器配对零件旁使用一个开关稳压器，为线性稳压器产生一个6V的直流输入（上一例中为14V直流输入）可降低电压。开关稳压器可高效地降低至一个更易于管理的电压，同时分配此电压以运行其他线性稳压器。这样就提高了开关稳压器的效率并且节约了线性稳压器的成本。该器件无需连接线性稳压器和电池，这也可节省成本（可以使用电压较低的合格零件）。
线性 线性 降压开关稳压器 90％
稳压器
稳压器
图 12, 线性稳压器借助开关稳压器工作
效率的提高使系统总效率达到74.7% ，而图11则为35.7%。
系统效率 线性稳压器 开关稳压器 功率输入
图 13, 图12的框图演示
降低漏电流的另一个进展在于将开关稳压器功能与线性稳压器功能相结合。如果已连接目标负载值，则开关稳压器的效率最高。但是，当输出电压不是重载时，效率问题就会产生，这时需要保持开关稳压器的电流就成为一个负担，而不是优点。在这些情况下，线性稳压器的效率可以更高。
开关稳压器电流 开关器与 支援电路 线性稳压器电流参考和驱动器 线性稳压器电流
图 14
图14显示了一种可以在线性稳压器工作模式和开关稳压器工作模式间进行切换的器件。红色表示的模块可以用作开关稳压器。采用开关稳压器也要求与温度无关的电压参考，用橙色表示，但是电流用红色表示。当要求线性稳压器工作，红色的电路可以关断，流到负载的电流用橙色表示。关断红色表示的电路可以节约静态电流。工程师可以根据输出负载和EMI要求选择更改模式。
其他开关稳压器应用包括汽车的起动或起动周期中使用开关稳压器。现代汽车安全观念要求起动时必须验证钥匙是否属于该汽车。引擎起动负载使电池电压剧烈下降。电压下降绝不能引起起动过程中相关微处理器的复位或未知状态。
为实现这一目的，必须使用能为系统提供升压和步降或降压的器件。其中一种方法是使用SEPIC（单端初级电感转换器）（图15）。C1必须能承受系统正常的高压工作限制（在反击脉冲方面），而且也能承受L1上的高压甩负荷脉冲（其他瞬变中）。由于通过此元件的电流大，这意味着需要高压电容及低ESR值的电容来保持最佳效率。而且，一些工程师也不希望流过电容的电流较高。
图 15
解决该问题的另一个方案是使用安森美半导体正在申请专利的双模转换器传递区域技术。这样，在进行所需的降压/升压工作时，就能在降压和升压模式工作之间实现平滑的转换，如图16所示。
图 16
正常工作时，Q1让电路作为降压开关稳压器工作，同时控制电路使Q2关断。当Vbat的输入电压降低时，Q1 100%导通，而Q2使电路作为升压开关稳压器工作。电阻Rpassthrough有助于建立工作，通过该工作可以产生传递区域，在该区域中稍微改变稳压输出，以便在调整工作模式时提供平滑的转移。
因此当图表显示开关稳压器时，消费者的思维和意向将持续推动市场的发展，而市场总是由成本和特性带动。消费者要求器件具备多少特性？他/她愿意购买哪类产品？让我们拭目以待。
参考文献
1. O’Malley, Kieran, “Compensation for Linear Regulators”, On Semiconductor SR003AN/D,
http://www.onsemi.com/pub/Collateral/SR003AN-D.PDF
2. NCV8503/D, NCV8508/D, NCV8800/D, NCP1500, Case 751R-02
On Semiconductor Documents:
http://www.onsemi.com/pub/Collateral/NCV8503-D.PDF
http://www.onsemi.com/pub/Collateral/NCV8508-D.PDF
http://www.onsemi.com/pub/Collateral/NCV8800-D.PDF
http://www.onsemi.com/pub/Collateral/NCP1500-D.PDF
http://www.onsemi.com/pub/Collateral/751R-02.PDF
3. Motoki, Tomoo, “Chip Monolithic Ceramic Capacitors Drive Automotive Applications”, AEI, August 2003 Dempa Publications, Inc, http://www.murata.com/articles/ta0342.pdf
4. Brown, Marty, “Practical Switching Power Supply Design”, Motorola Semiconductor, ISBN 0-12-137030-5, Academic Press