工业与汽车应用中的降压开关稳压器与LDO

自主控制在工业与汽车应用中都极为常见，很多自主控制都依赖电流环路。以工业应用为例，电流环路在双向工作的控制回路中普遍存在，环路将测量值从传感器传送到可编程逻辑控制器PLC，反过来将控制输出从PLC传送到过程调制设备。
 
在这种系统中，电流环路的电源通常来说是通过线性稳压器供电。虽然传统上一直如此，但是线性稳压器也有其缺点，效率相对较低且电流容量有限。一般来说，如果输入电压和输出电压很接近，那么线性稳压器也能达到很高的效率，但如果不接近，压降太大，消耗在线性稳压器上的能量会增加不少，这时候就很容易影响效率。一旦效率变低，会带来各种控制系统功能问题。
 
降压型开关稳压器代替线性稳压器
 
与线性稳压器相比，降压稳压器在电流容量上更高、输入范围上更宽，进而系统效率也会有所提升，因此用降压稳压器取代许多电流环路系统中的线性稳压器不失为一种提高性能的方法。
 
在标准的4 mA至20 mA电流环路中，电路通常设计为不需要额外的电源，直接从电流环路中获取功率。如果不添加额外的功能和特性，那么传统线性稳压器倒也完全能够胜任。但是无法提供额外电流能力的线性稳压器在各种功能加入进系统后开始成了限制。高负载能力的降压开关稳压器则不存在这种限制，而且更高的效率可以降低环路系统设计热负担。
 

 
（高输入电压降压稳压器，TI）

 
另一方面，在工业以及汽车级应用中，传感器端的电压在瞬变器件可能会到很高，这就是我们上面说到的输入电压和输出电压不接近的情况。这种情况在工业以及汽车级应用中并不少见。只有足够宽的电压范围的降压型开关稳压器才能简化可能发生大电压瞬变的汽车和工业应用的严苛设计要求。
 
低静态电流与高效率降压稳压器闭合电流环路
 
在4 mA至20 mA电流环路应用中，如果使用降压型开关稳压器来代替LDO，那么低静态电流、高效率、宽输入范围都必不可少。同时组件必须在－40℃至+125℃的扩展工业范围内保持高精度、低功耗的可靠运行。
 

 
（LT8618  DC电源的电流环路，ADI）

 
上图是以ADI的LT8618系列构建的环路，LT8618系列高速同步单片降压型开关稳压器在恒定频率（甚至高达2.2MHz）下，可向输出高效提供高达100mA的电流。相比于LDO，降压稳压器可以倍增提供给负载的输入电流，额外的负载能力大大增加了额外的设计空间和启，能够简化一部分系统设计工作。一般来说，这类器件中所有必要电路都会配备顶部和底部电源开关减少对外部组件的需求，就简化设计难度来说优势很明显。
 
同样以该系列为例，在高达65V（仅瞬变条件下，连续工作条件下为60V）的宽输入电压范围里，降压稳压器在瞬变模式下仅消耗2.5μA的静态电流，超低的静态电流将输出纹波也能控制在很好的水平。在瞬变条件下，LDO稳压器效率非常低，降压稳压器在高降压比下也十分高效。像LT8618系列这种同步降压效率能达到90%以上（理想条件下）。
 
低导通与纹波限制
 
导通时间的缩短有助于获得更大的降压比，低导通时间的降压稳压器意味着支持从不同电压等级输入到低电压轨的直接降压转换，从而降低系统复杂性和成本。在高开关频率下，能够稳定保持低导通时间的器件性能优势更明显。
 

 
（双路同步降压，TI）

另一方面，浪涌以及纹波是这类器件在使用时要着重考虑的问题。要抑制纹波，降压稳压器的输入电容至关重要。满足纹波电流和纹波电压要求的最小输入电容是最好的选择。有些还会针对EMI要求进行优化，包括由压摆率控制的自适应栅极驱动器，扩频可降低峰值发射。
 
小结
 
工业和汽车系统中，高效降压稳压器替换LDO稳压器，在效率和性能上是没什么问题的。尺寸上，LDO需要的外接元件很少，一般只需要一到两个旁路电容即可。如果高效降压稳压器能做到很紧凑，在尺寸上也能接受。