【導讀】在高效率非常重要的場合，開關穩(wěn)壓器是電壓調節(jié)的理想選擇。但是，開關穩(wěn)壓器仍然會消耗一些能量，而且開關噪聲可能是一個挑戰(zhàn)。利用 Analog Device 的直通特性，用戶可以實現(xiàn)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于電壓會波動，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(wěn)健的設備，但肯定會影響其性能。對于敏感的汽車、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(zhàn)。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，后果會很嚴重。
直流穩(wěn)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(jié)的穩(wěn)壓輸出。因此，即使輸入在 38 V 到 15 V 之間變化，穩(wěn)壓器也能提供穩(wěn)定的 24 V 輸出，上下波動幅度只有幾個百分點。穩(wěn)壓器也能輕松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(jié)的功耗
電壓調節(jié)的商用方案有很多。最簡單的是低壓差 (LDO) 線性穩(wěn)壓器。LDO 易于導入設計中，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 只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(wǎng)絡來調節(jié)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(jié)到 24 V，穩(wěn)壓器的工作效率將在 50% 左右。在人們盡可能節(jié)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(wěn)壓器可提高電壓調節(jié)任務的效率。其工作原理十分復雜，但調節(jié)基本上是通過如下方式實現(xiàn)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，然后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(jié)不是使用電阻網(wǎng)絡對輸入電壓進行分壓來實現(xiàn)的。它有效消除了與線性器件相關的大多數(shù)效率低下問題。
因此，如果使用現(xiàn)代開關穩(wěn)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于 90%（在某些設計約束范圍內）。更妙的是，開關穩(wěn)壓器的輸出電壓可以高于（“升壓”）也可以低于（“降壓”）輸入電壓。許多器件可以在升壓和降壓這兩種模式之間無縫切換。因此，即使輸入電壓在較低和較高電壓之間擺動，穩(wěn)壓器也能有效地提供穩(wěn)定的 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(wěn)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(wěn)壓器也有一些缺點：復雜、昂貴，并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?shù)剡x型。最大的挑戰(zhàn)或許來自高頻開關。這種開關不僅會產生電磁干擾 (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
開關穩(wěn)壓器雖然具有出色的效率，但并不完美。功耗的主要來源是晶體管導通時的直流損耗和狀態(tài)改變時的開關損耗。制造商在其產品中采用了一些巧妙的手段，以提高特定模式下的工作效率。例如，斷續(xù)導電模式 (DCM) 可防止穩(wěn)壓器的電感電流在低輸出電流下逆轉方向。這有助于提高輕負載時的效率。
當今的開關穩(wěn)壓器即使在并不需要調節(jié)的時候也會進行調節(jié)，在此過程中能量被白白消耗。但是，有一個技巧到目前為止尚未得到充分利用。考慮使用標稱 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(jié)電壓，從而消除傳導和開關損耗以及穩(wěn)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(xiàn)了商用。LT8210EFE 降壓-升壓穩(wěn)壓器等產品已整合這項技術（圖 3）。該穩(wěn)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）
在直通模式下，該器件的兩個高壓側開關永久導通，允許未經調節(jié)的電壓直接流過器件，而兩個低壓側開關永久關斷。根據(jù)通過穩(wěn)壓器的電流和電壓，有可能實現(xiàn)接近 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(qū)間可以通過設定高低調節(jié)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(jié)電壓。因此，用戶可為該范圍設置直通模式；當電源電壓處于該范圍內時，效率會非常高。若電源電壓低于 8 V，穩(wěn)壓器將開啟以將電壓提升至 8 V；若電源電壓高于 16 V，穩(wěn)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(qū)間。調節(jié)僅發(fā)生在該區(qū)間之外。請注意在直通區(qū)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，其基于 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。該板可用于展示直通模式對元器件溫度等參數(shù)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
在高效率非常重要的場合，開關穩(wěn)壓器是電壓調節(jié)的理想選擇。但是，開關穩(wěn)壓器仍然會消耗一些能量，而且開關噪聲可能是一個挑戰(zhàn)。利用 Analog Device 的直通特性，用戶可以實現(xiàn)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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