提高 DC 穩壓電路的效率並降低雜訊

為 24 VDC 馬達提供輸入電壓的方法之一，便是將標稱 24 V 電源連接至端子上，然後按下啟動開關。這時，馬達會運作得非常良好。但標稱電壓供應的問題在於電壓可能忽高忽低，例如升到 38 V 或降到 15 V。雖然這種電壓波動可能不會損壞 DC 馬達等較堅固的元件，但勢必會影響元件的效能。而汽車、航空電子或電信應用很敏感，不容許發生這種情況。在這些產品及許多其他產品中，若發生欠壓或過電壓，可能會造成永久性損壞。

如果輸入電源與 DC 馬達所需的輸入電源不符，則會遇到另一個挑戰。例如，常見的 DC 電源電壓為 48 V。如果直接連到 24 V 的馬達上，後果將令人欲哭無淚。

DC 穩壓器提供簡單的解決方案。顧名思義，此元件能將可變輸入 (在特定閾值內) 維持在某個嚴密調節的輸出值。因此，即使輸入電壓在 38 至 15 V 之間變動，穩壓器也能提供穩定的 24 V 輸出 (每種方式的變化幅度僅為幾個百分點)。穩壓器還能提供與輸入電壓不同的輸出值，因此能以 48 V 電源安全地驅動 24 V 馬達。

穩壓的功率

市售的穩壓產品有很多，最簡易的是低壓降 (LDO) 線性穩壓器。LDO 容易導入設計，僅需少許外部元件，而且相對費用較低廉且體積小巧。一個明顯的缺點是此元件僅能提供比輸入值更低的輸出。當 24 V 電源降到標稱值以下時，對我們便毫無幫助。

LDO 另一個可能的缺點是效率低。元件基本上使用電阻分壓器網路來調節電壓，因此輸入和輸出電壓之間的落差越大，內部功耗越大，溫度升得越高。例如，如果使用 LDO 將 48 V 電源調節至 24 V，LDO 穩壓器的工作效率大約會是 50%。在這個全力追求節能的時代，不容許這種白白燃耗能源的做法 (圖 1)。

圖 1：LDO 的效率與「輸出電壓和輸入電壓的比值」成正比。(圖片來源：Analog Devices)

改善 LDO

切換式穩壓器為穩壓工作帶來更高的效率。其運作原理很複雜，但穩壓的方式基本上是利用幾對電晶體進行高頻率切換，為一個或多個電感以週期性充電，之後電感會將能源耗散到負載上，準備好在下一個週期再次充電。穩壓方式與 LDO 不同，並非利用電阻網路來劃分輸入電壓。如此一來，LDO 線性元件效率不彰的問題，大多都能有效避開。

因此，如果使用現代的切換式穩壓器，以 48 V 輸入來供應 24 V 電壓，在某些設計限制下，能合理預期供應效率遠超過 90%。此外，切換式穩壓器能增加輸入電壓 (「升壓」)，也能降低輸入電壓 (「降壓」)。許多元件可以在增壓和降壓這兩種模式之間順暢切換。因此，即使輸入電壓在高低位準之間搖擺不定，穩壓器也會有效率提供穩定的 24 V 電壓，使 DC 馬達持續運作 (圖 2)。

圖 2：最簡易的切換式降壓／升壓穩壓器，包含一個電晶體、兩個二極體，一個電感和一個電容。(圖片來源：Analog Devices)

切換式穩壓器有幾個缺點。這種元件結構複雜、價格昂貴，且需要大量外部元件，不僅佔空間，還需要相當進階的設計技能才能妥善挑選。最大的挑戰也許完全是高頻率切換。這種切換不僅會產生電磁干擾 (EMI)，還可能在輸出電壓上產生明顯的漣波。精心設計的濾波器電路雖能緩解這兩種情況，但無法徹底消除。

提高效率

切換式穩壓器雖然效率極佳，但並不完美。功耗的主要來源是電晶體傳導時的 DC 損耗，以及電晶體翻轉狀態時的切換損耗。許多製造商在產品中結合一些巧妙的技巧，提高某些模式下的運作效率。例如，非連續導通模式 (DCM) 能避免穩壓器的電感電流在輸出電流較低時逆轉方向。這有助於提高輕負載的效率

現今的切換式穩壓器，即使不需要穩壓時也會進行穩壓，過程中也會白白消耗能源。但尚有一種方法至今仍未充分地派上用場。請試想標稱 24 V 電源為 24 VDC 馬達饋電的例子。雖然我們已知電源變化幅度可能很大，卻經常能保持在 24 V，或至少非常接近 24 V。在這種情況下，我們可以停止穩壓，從而消除傳導和切換損耗以及穩壓器產生的其他功率損耗，以提高效率。

Analog Devices 利用其「直通 (Pass-Thru)」模式將此技術商品化，並應用於 LT8210EFE 升降壓穩壓器 (圖 3) 等產品中。這款穩壓器可將 2.8 至 100 V 輸入轉換為 1 至 100 V 輸出，並具有兩對高側與低側電晶體。

圖 3：在「直通」模式下，輸入電壓透過永久開啟的高側電晶體流過 LT8210。這時效率非常高，而且不會產生雜訊。(圖片來源：Analog Devices)

在「直通」模式下，該元件兩個高側開關永遠保持開啟，使未經調節的電壓可以直接流過該元件，而兩個低側開關則永遠關閉。依流經穩壓器的電流和電壓而定，效率有可能接近 100%。此外，執行「直通」模式時不會產生 EMI 或輸出電壓漣波。

保持低溫

可對穩壓上下限進行編程，以設定 LT8210 的「直通」區域。例如，您的負載可能需要標稱 12 V 輸出，但負載對未調節電壓的安全容限為 8 至 16 V。因此，您可以為該範圍設定「直通」模式，在極高的效率下獲益。電源電壓一旦低於 8 V，穩壓器會開啟以將電壓升高至 8 V，高於 16 V 時也會開啟，以將電壓降低至 16 V (圖 4)。

圖 4：可在 LT8210 上對「直通」區域進行編程。編程後，只有該區域以外才會進行穩壓。請注意「直通」區域運作時，效率的增加情形。(圖片來源：Analog Devices)

Analog Devices 還提供便利的展示板 DC2814A-C，此電路板以 LT8210 為基礎，輸入電壓為 26 至 80 V，輸出電壓為 36 至 56 V，最大電流為 2 A。此板件能用來展示「直通」模式對參數的益處，例如元件的溫度 (圖 5，a 和 b)。

圖 5：上方圖 (a) 為將 60 V 輸入調節至 56 V 輸出時 (負載電流為 2 A)，DC2814A-C 展示板的溫度分布圖。下方圖 (b) 則顯示該展示板在「直通」運作模式下的情況 (電源為 45 V，負載電流為 2 A)。(圖片來源：Analog Devices)

結論

講求高效率時，切換式穩壓器是絕佳的穩壓選擇。但這種元件會燃耗部分能源，而切換雜訊也可能是項難題。利用 Analog Devices 的「直通」功能，能顯著提升效率並使運作過程毫無雜訊。負載對電壓波動的耐受性越高，潛在的好處越多。