第三单元 系统组件 3.2 选择电源芯片

   大多数电源芯片的主要作用是进行“电压调整”“稳压”。电源芯片将“未调整的”输入电压转换为“稳压”输出——输出电压不随输入电压或输出电流的变化而变化。这就是“线性稳压器”和“开关稳压器”得名的原因。“电荷泵”是个例外：有的器件是“稳压”输出，有的器件不是。
线性稳压器
       在各种电源芯片中，线性稳压器（图1）通常体积最小、造价最低、噪音最低，而且使用的外部组件数最少。由于不含开关组件，线性稳压器几乎不产生噪音。此外，线性稳压器的电路板布局不像开关稳压器和电荷泵那样关键。
       那为什么我们使用其它的电源芯片而不采用线性稳压器呢？一个原因是线性稳压器只能输出低于输入电压的电压。假如需要比输入电压高的电压或和输入电压极性相反的电压，就只能选择开关变压器或电荷泵。
       另外一个原因是效率。将一个电压转换为另一个电压总要耗费能量。理想稳压器不耗费能量，其效率为100%；如果输入稳压器的能量有一半传到负载，其效率为50%。
       线性稳压器的效率往往（虽然不总是这样）低于开关稳压器。线性稳压器的可以用输出电压除以输入电压计算得到。（当驱动稳压器的电流（即稳压器电源或静态电流）占稳压器输出电流的比例很小时，这种计算方法是足够准确的；而大多数情况确实如此。）因此，当线性稳压器的输入电压与输出电压相近时，效率是高的；在这种情况下，选择线性稳压器可能要优于选择开关稳压器。
       对于便携设备而言，高效稳压器将带来明显的优势：因为耗能少将延长电池的使用时间。需要高效稳压器还有另外一个原因，即耗费掉的能量以热量形势散发了。因此，高效电源不仅适用于便携设备，而且适用于非便携设备。不论哪种情况，这都能降低设备温度至一个可以容许的水平。
开关稳压器
       开关稳压器不具备线性稳压器的优势。和线性稳压器相比，开关稳压器体积大（除去线性稳压器需要散热片）、成本高、噪音大。但是，多年来开关稳压器大受电源设计者的欢迎。这是为什么呢？因为开关稳压器对于输入电压和负载电流的许多组合具备很高的效率。（升压器和降压器的效率均可达96%，降压器的效率一般更高一些，反向器效率可达90%）。此外，当需要提高、降低或反向电压时，你会发现开关稳压器是唯一能够提供超过125mA负载电流的设备。电荷泵也能实现上述功能，但其负载电流有限。尽管有一些电荷泵能提供几百毫安的电流，但通过将若干个电荷泵相连以实现125mA以上的电流的做法太昂贵了。
       “开关稳压器”因其对一个功率晶体管进行切换而得名。这个功率晶体管和电感配合使用就可以将一个电压高效的转换成另一个电压（见图2）。当功率晶体管切换时，其速度非常快，因为快速切换会提高稳压器效率。为了理解这一点，先考虑一下功率晶体管不切换时的功率耗散。当晶体管“断开”，电压可以通过，电流无法通过，没有能量损失。当晶体管“闭合”时，少量电压通过，显着电流通过，少许能量损失。当功率晶体管由“断开”到“闭合”或者由“闭合”到“断开”，电压出现在晶体管两端；同时，电流也通过晶体管；因此，会损失掉相当多的能量。加速切换过程将减小转换损失。
       快速切换以及电路中的大电流使得电路板布局设计尤为重要。因为开关稳压电路需要慎重布局，又因为开关稳压芯片的外部组件需要正确选定，所以开关稳压器的设计在各种电源设计中是最需要细心的。
电荷泵
       电荷泵是此处讨论的三种电源芯片中最不为人知的一种。电荷泵可以完成和开关稳压器相同的功能，却不需要电感器。电荷泵采用电容器完成电压的升、降、反向（见图3）。
       电荷泵可以产生“稳压”输出，也可以产生“非稳压”输出。当电路连接在一个“非稳压”电荷泵的输出端时，随着输出电流的增大，输出电压生成比例下降。电荷泵的输出电阻是一个固定的阻值。当用于“反向”模式时，非稳压电荷泵输出电压与输入电压大小相同、极性相反。随着负载电流增大，电压幅度降低。当用在“翻倍”模式时，电荷泵输出电压为输入电压的二倍，输出电压也随负载电流的增加而降低。
       稳压电荷泵可对电压进行升、降或反向。与非稳压电荷泵不同的是，稳压电荷泵的输出电压电平并不严格取决于输入电压电平。因此，稳压电荷泵可以用3.3V输入电压产生一个5V的输出电阻。此外，由于是“稳压”，所以当输出电流增大时，输出电压几乎不变。如前所述，不论非稳压还是稳压，电荷泵可提供的电流都是有限的。上限约为125mA；当然，也有几百毫安的器件。构建提供大负载电流的电荷泵是不划算的。而基于电感的开关稳压器非常适于这种情况。