为您的应用选择合适的电源IC

本文讨论为给定应用选择电源的过程。本文回顾了三种最常见的DC-DC转换电源IC的特性。它还提供了其他应用笔记和教程的链接，这些笔记和教程讨论了更高级的主题。

对于没有经验的人来说，选择电源IC可能是一项艰巨的任务。本应用笔记将帮助新手工程师迈出第一步，成为自信的电源设计人员。本文讨论如何在最基本的层面上选择这些IC。首先，它解释了为什么需要电源IC。然后，本文展示了如何在三种最常见的直流电压供电电源IC中进行选择：线性稳压器、开关稳压器和电荷泵。支持性应用笔记和教程的链接将讨论更高级的电源主题。

为什么选择电源IC？

大多数电源IC的主要目的是调节。这些器件采用非稳压输入电压并提供稳压输出电压。简单地说，这些IC提供的输出电压在输入电压或输出电流变化的情况下仍保持稳定。这解释了线性稳压器和开关稳压器的名称。这个简单定义的例外是电荷泵。根据具体器件的不同，电荷泵的输出可以是稳压的，也可以是非稳压的。

有时稳压器从稳压输入电压产生稳压输出电压。在这种情况下，稳压器的功能是将输入电压更改为另一个电压电平，而不必改善电压调节。

您可能很想在没有稳压器的情况下为电路供电。事实上，在某些情况下，你可以成功做到这一点。例如，您可以直接从电池为便携式设备供电。但这种方法通常会导致问题。便携式设备中的电路通常只能在一定的窄电压范围内正常工作。对于微处理器和存储器尤其如此，尤其是在需要高速的情况下。对于微处理器、存储器和许多其他类型的电路，电池工作的电压范围可能会超出可接受的水平。因此，添加稳压器可确保您的电路接收适当的电压。

如果不使用稳压器，电池的内阻也可能出现问题。之所以出现这种困难，是因为便携式设备中的电路通常需要不同水平的电源电流。当从电池中汲取时，由于电池的内阻，这种变化的电流会产生不同的电池电压。部分电路可以“反对”电池电压的这些变化，因为电路各种组件的PSRR（电源抑制比）可能不足以抑制这些电压变化。为了解决这个问题，稳压器在负载电流变化的情况下保持稳定的输出电压。稳压器提供这种稳定的电压，因为其有源电路保持的输出电阻明显低于电池的串联电阻。

任何在没有稳压器的情况下进行设计的尝试都会挑战稳压器提供稳定电压的必要性，尽管输入电压或输出电流会发生变化。但还有更多需要考虑。在大多数情况下，开关稳压器和线性稳压器，如稳压和非稳压电荷泵，还有一个额外的用途：它们产生的电压与为其供电的电压幅度不同。这解释了DC-DC转换器的名称。从技术上讲，这里讨论的所有三种类型的电源IC（例如线性稳压器、开关稳压器和电荷泵）都是DC-DC转换器，但是，该术语通常保留用于开关稳压器。

线性稳压器在转换电压电平时受到一定限制，只能产生低于为其供电的电压的电压。开关稳压器的用途更为广泛，可以升压（升压）、降压（降压）或反相（改变极性）其电源电压。电荷泵执行这三种相同的操作，但输出电流能力有限。

请参考应用笔记269：“以性能换取便携式电源成本”。

电源IC产生的电压与馈给它们的电压不同，也有例外。变压器耦合转换器最常见例外情况。找到输出电压等于其输入电压的变压器耦合转换器并不罕见。参见图1。在大多数情况下，以这种方式配置的转换器的唯一目的是提供隔离，从而防止提供给转换器的输入电压与转换器产生的输出电压之间的直流连接。参见图2。出于安全原因，通常使用隔离。例如，通过电极连接到患者的电路的电源与来自墙壁插座的电源隔离，以防止电击风险。但是您不需要在医院要求隔离。几乎所有消费电子产品都将交流线路与工作电路隔离开来。

图1.该变压器耦合开关稳压器电路将输入电压与输出电压隔离开来。电源设计人员通常使用光耦合器将电路输出与稳压器的反馈引脚隔离开来。

图2.电路具有一个隔离的5V至5V/400mA电源。内置MAX668升压控制器。

请参阅隔离电源参考指南。Maxim的隔离电源应用笔记进行了分类，以便于参考。

现在将解释线性稳压器、开关稳压器和电荷泵的优缺点。

线性稳压器

线性稳压器通常是各种类型的电源IC中最小、通常最便宜且噪声最小的。参见图 3。如果线性稳压器适合您的应用，请使用它，特别是因为线性稳压器电路比围绕其他类型的电源IC构建的电路更有可能在第一次就正常工作。

图3.线性稳压器既降压又调节提供给它的电压，只需最少数量的外部元件。由于这些器件不包含开关元件，因此产生的噪声很小。此外，线性稳压器的电路板布局不如开关稳压器和电荷泵重要。

为什么要使用除线性稳压器以外的任何电源IC？原因有二。首先，线性稳压器只能提供小于其输入电压的输出电压。如上所述，如果要产生高于输入电压或极性相反的电压，则别无选择，只能使用开关稳压器或电荷泵。

第二个原因是效率。将一个电压转换为另一个电压总是浪费电力。在理想情况下，稳压器不浪费电力;其效率等级将为100%。如果提供给稳压器的功率中有一半到达稳压器的负载，则其效率将为50%。

线性稳压器的效率通常（但并非总是）低于开关稳压器。您可以通过将输出电压除以输入电压来计算线性稳压器的效率。（如果为稳压器供电的电流、稳压器的电源或静态电流只是从稳压器输出汲取的电流的一小部分，则此公式足够准确。在大多数情况下，确实如此。因此，对于LDO（低压差线性稳压器），其中 为线性稳压器供电的电源电压接近稳压器的输出电压，效率高，在这种情况下，LDO可能是比开关稳压器更好的选择，因为LDO的噪声较小。MAX1725/MAX1726为超低电源电流LDO，最大静态电流为4.5μA。

高效稳压器在便携式设备中具有明显的优势，因为更少的功率浪费导致更长的电池寿命。您可能需要高效稳压器还有另一个原因：浪费的功率会以热量的形式消散。因此，高效电源通常适合壁挂式供电设备以及便携式设备。在任何一种情况下，此电源都可以将外壳内的温度降低到可容忍的水平。

在汽车应用中，通常需要更高的输入电压和更宽的温度范围。例如，MAX6765–MAX6774在-4°C至+72°C温度范围内工作在40V至125V。这些线性稳压器具有控制输入，使其“适合汽车”。

参见低压差线性稳压器。

开关稳压器

开关稳压器不具备线性稳压器的优势。开关稳压器消耗更多的电路板面积（除非线性稳压器需要散热器来消耗其中损耗的功率）;成本更高;并产生比线性对应物更多的噪声。然而，多年来，开关稳压器一直受到电源设计人员的极大欢迎。为什么？

开关稳压器仍然很受欢迎，因为这些器件在承受输入电压和负载电流的多种组合时具有出色的效率。（升压和降压开关的电平可高达96%，但降压通常效率更高，逆变器的降压效率高达90%）。此外，如果您需要升压、降压或反相电压，开关稳压器是唯一能够在负载电流高于约125mA的情况下进行这些操作的器件。诚然，您可以使用电荷泵来执行这些操作，但这些器件允许的负载电流是有限的。将足够大的开关集成到电荷泵中以处理高于125mA电平的负载电流实在太昂贵了，尽管少数电荷泵确实可以提供几百毫安的电流。

开关稳压器之所以如此命名，是因为它们开关功率晶体管，当与电感器结合使用时，功率晶体管可以有效地将一个电压转换为另一个电压。参见图 4。当这些功率晶体管切换时，它们会非常迅速地切换，因为快速转换可以提高稳压器的效率。要了解原因，首先要考虑功率晶体管未转换时的功耗。当晶体管关闭时，电压出现在它上面，但没有电流流过它。因此，不会损失任何功率。当晶体管导通时，其两端会出现一个小电压，同时可能会有可观的电流流过它。因此，通常会损失少量功率。当功率晶体管从关状态转换到导通状态时，反之亦然，当电流流过晶体管时，晶体管上会出现电压。因此，可能会损失可观的功率。加快开关过程可降低这些转换损耗。

为了尽量减少与开关电源中整流二极管相关的功率损耗，可以使用同步配置。在同步配置中，整流二极管被MOSFET开关取代。这种方法进一步提高了开关转换器的效率。MAX15023是同步降压控制器的一个例子。

图4.开关稳压器可以 （a） 降压（降压）、（b） 升压（升压）或 （c） 降压/升压并反相（降压升压）为其供电的电压。这三种开关稳压器类型中的外部晶体管开关通常包含在开关稳压器中，通常是当器件指定用于中等负载电流时。有时，降压和升压开关稳压器IC构成此处所示的整流器。

这些快速转换，以及经常在这些电路中流动的大电流，使得电路板布局变得至关重要。开关稳压器电路需要经过深思熟虑的布局，并且必须正确指定开关稳压器IC外部的元件。考虑到各种类型的电源，开关稳压器需要最仔细的设计。

幸运的是，有一种方法可以解决这些布局问题。对于输出电流要求较低的应用，可提供集成MOSFET的开关稳压器。MAX17083为集成开关的降压稳压器，支持高达5A的连续负载电流。内部开关大大方便了电路板布局。但是，这会将输出功率限制在IC的功耗限制和设计规格范围内。

Maxim还为大多数开关稳压器提供EV（评估）套件。这些套件演示了电源的工作布局，在许多情况下可以适应特定的电路板。此外，稳压器的数据手册中通常列出了各种外部元件的多个电源。决定使用哪些外部元件只需从已指定的多个器件中进行选择，每个器件都能够与特定的开关稳压器IC很好地配合使用。

参见电源电路应用笔记和Maxim电源手册。

Maxim还提供在线仿真工具（EE-Sim）来设计和仿真电源电路。

电荷泵

电荷泵是这里讨论的电源IC中最不为人所知的一类。这些器件执行与开关稳压器相同的功能，但没有电感器。相反，电荷泵使用电容器来降压、反相或升压为其供电的电压。参见图 5。

图5.与开关稳压器一样，电荷泵对电压进行降压、升压和反相处理，但使用电容器而不是电感器来执行这些操作。在大多数情况下，电荷泵处理的输出电流低于开关稳压器。尽管拓扑结构略有不同，但此处所示的电路代表了稳压和非稳压电荷泵，无论它们是升压、降压还是反相电压。

电荷泵具有非稳压和稳压输出。考虑一个连接到未稳压电荷泵输出的电路，随着该电路消耗越来越多的电流，其输出电压成比例下降。因此，电荷泵的输出阻抗基本上是一个固定电阻。当在反相模式使用时，未稳压电荷泵提供的输出电压等于为器件供电的电压，但极性相反（例如MAX828）。如上所述，随着负载电流的增加，该电压的大小会下降。当在倍增模式下使用时，这些电荷泵精确地使施加的电压（例如MAX1682）加倍，输出电压也会随着负载电流的增加而下降。

稳压电荷泵可以升压、降压或反相施加电压。与非稳压电荷泵不同，这些器件提供的输出电压电平并不严格依赖于馈送给它们的电压电平。因此，这些器件可以从5.3V输入产生3V输出。此外，由于它们是稳压的，随着输出电流的增加，输出电压基本上保持恒定。如上所述，可以从这些器件以及未稳压电荷泵汲取的电流量是有限的。上限约为125mA（例如MAX1595），但也有少数器件可处理几百毫安电流（例如MAX889）。构建提供大负载电流的电荷泵是不经济的。相反，基于电感的开关稳压器非常适合这种情况。

电荷泵切换与其相连的电容器，从而产生噪声。该噪声的幅度通常小于开关稳压器的噪声。这主要有三个原因。首先，负载电流更轻。其次，由于这些电路不包括电感器，因此不会产生磁噪声。最后，当电荷泵中断流过与其相连的电容器的电流时，不会产生电压尖峰。开关稳压器中断流经电感器的电流通常会产生电压尖峰。

电荷泵数据手册为您提供了选择使用电荷泵时唯一需要的外部元件（即电容器）所需的信息。虽然评估板不是必需的，因此电荷泵的可用性较低，但任何可用的评估板都可以快速确定该器件是否适合特定应用。

审核编辑：郭婷