稳压器的分类、结构原理及使用详解

稳压器的分类维度众多，以下是主要分类方式及各类稳压器的核心结构和应用场景：

一、按稳压原理分类 (最常用)

1. 线性稳压器

• 工作原理： 利用调整管(晶体管/MOSFET)作为可变电阻，通过其压降变化来抵消输入波动，输出纯净电压。本质是串联分压原理。
  • 输入端纹波处理： 输入电源波动时，调整管通过改变自身压降（即"牺牲"电压）来维持输出电压稳定。
  • 输出纯净电压： 调整管像一个大阻值的可调电阻，与负载形成分压电路。
• 核心结构:
  • 调整管： 核心元件，承担输入输出压差并损耗能量（压降×输出电流）。
  • 误差放大器： 感知输出电压并对比基准电压，驱动调整管调整压降。
  • 基准电压源： 提供高精度比较基准。
  • 反馈电阻： 设定输出电压（输出电压 = 基准电压 × (1 + R1/R2)）。
• 优缺点：
  • 优点：电路简单、噪声低、纹波极小、成本较低、响应快。
  • 缺点：效率低（尤其压差大或电流大时）、需要散热片、输出电流受限、输入必须高于输出压差要求。
• 子类：低压差线性稳压器(LDO)
  • 特点： 调整管采用MOSFET，使得最小压差(输入电压 - 输出电压)极小（可达0.3V以下），避免传统线性稳压器（一般需1.5V以上压差）在低输入电压下的瓶颈。
  • 结构差异： 误差放大器驱动P-MOSFET调整管（传统常用NPN三极管），P-MOS源极接输入，漏极输出，导通电阻低且压差需求小。
  • 用途： 电池供电设备（如手机、平板）、噪声敏感电路（ADC/DAC/射频）、后级稳压（开关电源后级滤波）。
• 典型应用:
  • 78XX/79XX系列: 如7805固定输出+5V（正压）、7905输出-5V（负压）——需注意压差（通常>2V）。
  • AMS1117系列: 常见LDO，支持5V→3.3V等常用转换。
  • TL431 + 调整管: 构成可调精密线性稳压器。

2. 开关稳压器 (开关电源、DC-DC转换器)

• 工作原理： 利用开关管高速通断（kHz~MHz级），将输入电能切成断续脉冲，通过电感/电容储能和滤波，将脉动电转换为所需平滑直流电压。
  • 高效能量传递： 开关管要么导通（低阻态，电流大但两端无压差），要么截止（高压差但无电流），故自身损耗极小（仅有开关瞬间损耗）。
  • 储能元件的转换作用： 通过控制开关管导通/截止时间比例（PWM脉宽调制）调整输出。电感积蓄磁能以升压/降压；电容则平滑高频脉冲成直流电压。
• 核心结构:
  • 开关管： MOSFET（功率较小场合为双极晶体管），高频开关电能。
  • 整流管： 续流二极管或同步整流MOSFET，为电感续流提供回路。
  • 电感： 储能元件，电流不会突变，实现能量转换。
  • 滤波电容: 平滑电感输出的高频脉动电流。
  • 控制IC: 含PWM生成、误差放大、基准电压、保护等功能，负责调节开关脉冲占空比。
• 优缺点：
  • 优点：效率高（一般>80%）、支持升压/降压/升降压/负压等多种转换、压差范围宽、功耗低发热小（无需大散热片）、输出电流大。
  • 缺点：电路复杂、成本高、输出纹波和噪声较大（需精心设计滤波）、EMI（电磁干扰）问题需处理。
• 子类（按拓扑结构）：
  • 降压型(BUCK)： 输出电压 < 输入电压。如12V→5V转换芯片MP1584/LM2596。
  • 升压型(BOOST)： 输出电压 > 输入电压。如3.7V（锂电池）→5V转换芯片MT3608/XL6009。
  • 降压-升压型(BUCK-BOOST)： 输出电压可高或低于输入电压。如4-12V输入→5V输出（输入波动范围大场合）。
  • 负压型(INVERTING)： 产生负电压（如+5V输入→-5V输出）。通常基于Buck-Boost拓扑。
  • 电荷泵(无电感开关电容型)： 使用电容进行能量存储和转移（无电感），实现倍数电压（×2/×1.5等）或负压，效率一般但结构简单、体积小。
• 典型应用:
  • 便携设备电源（充电宝、笔记本电源适配器）
  • 高效率工业控制电源
  • 主板CPU/GPU供电（大电流VRM）
  • 电池供电设备需升压场合
  • 产生负电源（如运放、OLED屏偏压）

二、按输入/输出特性分类

1. AC-DC稳压器 (交流转直流)：

   • 将交流市电(如220VAC)转换为稳定直流电压(如5VDC/12VDC)。
   • 结构： 整流(二极管桥) + 滤波(大电容) + [开关电源模块(或变压器+线性稳压器)]。现代以开关稳压器为主。
   • 应用： 所有家电、IT设备的电源适配器、充电器。

2. DC-DC稳压器 (直流转直流)：

   • 将某一电平的直流输入电压转换为另一稳定直流电压。
   • 子类: 线性稳压器 (如7805)、LDO (如AMS1117)、开关稳压器 (如LM2596、TPS61090)。
   • 应用： 手机内部各模块供电、车载电子设备、分布式电源系统。

三、按特定功能/应用分类

1. LDO (低压差线性稳压器): 强调低压差的线性稳压器。
2. 串联稳压器: 指“线性稳压器”这一大类（调整管串联在输入输出回路中），常用于区分并联稳压器。
3. 并联稳压器： 如齐纳二极管(Zener Diode)。结构简单，利用二极管反向击穿特性稳压，工作在并联状态（二极管阴极接输入正，阳极接公共端；需串联限流电阻）。主要用于基准源或简单小电流稳压。
4. 可编程稳压器： 输出电压可通过外接电阻、DAC或数字接口（如I²C/SPI）编程设定（如LM317为模拟可调，LTM4676为数字可调）。
5. 多路输出稳压器： 单一IC可提供多路独立稳定输出电压（常见于开关电源模块或一些PMIC芯片）。

线性稳压器 VS 开关稳压器：对比总结表

使用要点总结

• 选型关键参数： 输入电压范围、输出电压/电流、压差（线性）、效率（开关）、纹波、噪声、静态电流、封装尺寸、成本等。
• 线性稳压器使用注意：
  • 散热是核心！ 计算功耗 (P_diss = (Vin - Vout) * Iout)并确保加装合适散热片。
  • 输入电容（消振、储能）： 位置靠近IC输入脚，选择低ESR类型。
  • 输出电容（稳定性、滤波）： 按手册推荐值选择类型和容值，ESR过低可能引起震荡（尤其LDO）。
  • 最小负载: 部分老型号需要。
• 开关稳压器使用注意：
  • PCB布局是成败关键！ 开关回路、输入/输出滤波电容回路应尽可能小，功率地与信号地分开。
  • 电感选型： 额定电流、饱和电流、电感值、DCR都很重要。
  • 输入/输出电容： 需高频低ESR电容（陶瓷电容为主），位置极其靠近IC引脚。
  • 输出电压设定电阻： 精度和温漂影响输出电压精度。
  • EMI对策： 加磁珠、屏蔽、接地、优化布局等。
  • 使能引脚/软启动： 避免浪涌电流冲击。

选择稳压器时，务必权衡性能指标（效率、噪声）、成本、复杂度和空间限制，才能找到最适合特定应用场景的方案。希望这个详解能帮你在电路设计中清晰选型！