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。