直流穩壓技術擁有悠久的歷史：首個集成電路穩壓器可追溯至半個世紀前。最早出現的是線性穩壓器，一些最早的設計至今仍在使用。隨后，對效率和設計靈活性的需求推動了開關穩壓器拓撲結構的發展。在具體應用中，開關穩壓器與線性穩壓器各有其優缺點，本文將對兩者進行比較和對比。

線性穩壓器的概念很簡單。圖 1 顯示了一個典型的采用閉環控制方案的線性穩壓器設計。通道晶體管作為可變電阻器，通過限制從輸入端到輸出端的電流來進行調節。因此，輸出電壓必須始終低于輸入電壓。

圖1：線性穩壓器基礎設計

為了在所需的輸出電壓 VOUT下，確保誤差放大器反相輸入端的分壓電壓與非反相輸入端的電壓 VREF相同，需要選擇合適的電阻分壓鏈 R1/R2。誤差放大器通過控制其輸出，確保其輸入端之間的電壓差始終為零。

線性穩壓器產生的開關噪聲極小，適用于需要低噪聲水平的應用。在正常運行中，即使輸入電壓快速波動，輸出電壓也能保持穩定。這意味著它們無論在基頻下，還是在高達五次或十次諧波的情況下，都可以高效地濾除輸入紋波。唯一的限制是內部誤差放大器的帶寬。低噪聲應用的例子包括數據采集系統、精密模擬電路和物聯網 (IoT) 傳感器。

線性穩壓器還具有成本低、元器件少等優點，因此非常適合低成本或空間受限的消費和工業設計。另一方面，輸入和輸出之間的電壓差 (VIN– VOUT) 出現在通道晶體管上，造成必須以熱量形式耗散的功率損失。根據輸入和輸出之間的電壓差，功率損失可能占到電源功率的很大比例。例如，輸入為 9 V、輸出為 5 V 的線性穩壓器，將 44% 的電源功率作為熱量浪費，效率僅為 56%。為滿足散熱要求，線性穩壓器可能需要更大的散熱片或額外的冷卻機制。

開關穩壓器以復雜性換取效率

DC/DC開關穩壓器的發明提高了效率，但需要采用更復雜的設計方法。與線性穩壓器的設計相比，開關穩壓器利用電感和電容元件的儲能特性，以離散能量包的形式傳輸功率。這些能量包儲存在電感器的磁場或電容器的電場中。開關控制器確保每個能量包只傳輸負載所需的能量，因此該拓撲結構非常高效。最佳設計可實現 95% 或更高的效率。與線性穩壓器不同，開關穩壓器的效率不依賴于輸入和輸出之間的電壓差。

圖2：開關穩壓器的簡化框圖

圖 2 顯示了 DC/DC 開關穩壓器的簡化框圖。多種類型的開關拓撲結構，提供了極大的設計靈活性。開關穩壓器可以產生高于或低于輸入的輸出（升壓或降壓），或將輸入電壓反轉為輸出電壓。其中，既有隔離拓撲結構，也有非隔離拓撲結構。 由于開關穩壓器效率更高且散熱需求降低，因此其結構更為緊湊。然而，開關穩壓器的設計和實現難度增大，要求設計人員掌握數字與模擬控制、磁學和電路板布局等多種技能。對于給定的功率等級，提高效率通常需要使用更多元件，導致設計更復雜，成本上升。

快速開關動作可能會引入電磁干擾 (EMI) 或開關噪聲，從而影響附近的元器件。設計人員必須注意元器件布局、接地和走線，將開關噪聲的影響降至最低。對任何效率至上的應用來說，開關穩壓器是首選，例如服務器、計算機和工業過程控制中使用的高功率電源。電池供電的應用同樣受益于更高的效率，電池壽命得以延長，例如便攜式設備和電動汽車。由于開關穩壓器的高效運行，通常無需再使用笨重的散熱器，對于空間受限的設計尤其有益。

RECOM 穩壓器

RECOM的工程師擅長為特定應用設計最佳的開關和線性拓撲組合。

圖3：集兩者之長 - 輸出端帶線性穩壓器的推挽式 DC/DC 轉換器輸入級

在高功率設計中，通常使用開關穩壓器進行初級轉換，以最大限度地提升整體效率。開關階段產生的各種電壓可直接為負載供電；在需要低噪聲的應用場景中，可串聯一個線性穩壓器。在低功率應用中，最佳策略則取決于具體應用。有時只需一個簡單的線性穩壓器即可滿足需求；有時則需要組合使用開關穩壓器和線性穩壓器，以獲得最佳結果。圖3 通過在隔離式開關拓撲（本例中為推挽轉換器）的次級側的 +Vout 線上串聯一個線性穩壓器，實現穩壓輸出。這種方法將兩種穩壓器整合到一個器件中，效率高于純線性設計，被應用在 RECOM 的部分最低功率 DC/DC 轉換器中。

結 論

開關穩壓器的特點是效率高、設計靈活和外形尺寸更緊湊，但其設計較為復雜，且開關噪聲可能導致電磁干擾問題。線性穩壓器則以設計簡單、低噪聲和成本效益為特點，但其效率較低，且可能需要使用笨重的散熱器。RECOM 可以幫助您為各種類型的電源轉換應用選擇合適的功能組合。