为什么切换器比线性稳压器更有效？

众所周知，开关稳压器比线性稳压器更有效。我还知道线性稳压器必须消除输入电压和输出电压之间的差乘以电流作为热量。

但是，为什么这不适用于相同条件的开关调节器：相同的输入电压以及相同的输出电压和电流？

我知道切换台会变热。我的主板上有一个过热的东西，几乎无法触摸它，但同样，它的每侧只有2 1/2毫米，与带有散热片的通孔7805相比，它看起来像一只蚂蚁。

线性稳压器通过有效地在源和负载之间放置一个受控可变电阻来工作。负载的所有电流都流过该电阻元件。两端的电压等于电源电压与负载电压之差。所以耗散的功率是

$P_{lin} = I_{load}\times{}(V_{src}-V_{load})$。

开关稳压器的工作原理是，在一个开关周期内改变电流的占空比，然后使用滤波器对输出进行平均。在周期的一部分中，高电流流动且压降较低。在周期的其他部分，几乎没有电流流过高电压降。这些条件都不耗散太多的热量。理想情况下，功率损失变为

$P_{sw}= \mathrm{DC}(I_{on})(0\ \mathrm{V}) + (1-\mathrm{DC})(0\ \mathrm{A})(V_{off})$，

通常为0W。在现实世界中，大部分低效率是由于在周期的“开”和“关”部分之间非常短的切换间隔期间的功率损耗造成的。

通常，开关稳压器效率更高，但并非总是如此。

理想的线性稳压器具有压降并且存在诸如晶体管之类的线性调整元件，其作用类似于电阻，因此理想情况下的功率损耗为P =，如您所说。这是理想的情况，实际上，稳压器需要一点电流才能工作，并且可能存在取决于输出电流的组件。某些依赖于横向PNP调整元件的LDO线性稳压器可能具有非常高的功耗，接近压降-可能会浪费100mA的电流以产生1A的输出电流（因为采用某些IC工艺制成的PNP晶体管往往会产生很差的电流增益）。我⋅ （V 我ñ - V Ò ù Ť$V_{IN} - V_{OUT}$$I \cdot (V_{IN} - V_{OUT})$

理想的开关（降压）调节器如下所示：

^{模拟此电路 –使用CircuitLab创建的原理图}

其中开关是晶体管，D1可以是二极管，也可以是另一个晶体管。在理想情况下，没有能量损失机制。二极管要么完全阻隔，要么完全导通，开关也是如此，电感器没有直流电阻，电容器没有ESR。因此，功率输入等于功率输出。当然，现实只能接近那个理想。会有“开销”的损耗，损耗会随着电流的增加而增加。

请注意，电感器是该电路的关键部分-如果您尝试将其忽略，则C1上的固定电压（短期内）将与Vin上的固定电压相对，并且电流将变为无限大。在实际电路中，SW1将具有一定的电阻，并且其温度将与线性稳压器中的传输晶体管一样高（除非它还会产生大量的EMI）。

众所周知，开关稳压器比线性稳压器更有效。

一点。将3.5V电压输入到LDO 3.3V线性稳压器中，效率为94％。您很难找到可以做到这一点的开关稳压器。

我也知道线性稳压器必须消散输入电压和输出电压乘以电流作为热量的差异。

是的，但是对于给定的输出电流，线性稳压器必须吸收或多或少的电流，而对于开关稳压器，为了获得输入电流的减少，必须以输出电压的下降为代价，因此，与总体上类似配置的线性稳压器相比，其功耗通常更低。

理想的切换器不会消耗任何功率。它们从输入侧获取一点能量，将其存储起来，然后在输出侧释放它。

能量存储在电感器内部的磁场中或电容器中的电场中。

由于实际组件的不理想，例如电感器中的ESR，它们会消耗一些功率。它们还会在晶体管切换期间失去一些电源。控制器中还会损失一些能量。

但是为什么这不适用于相同条件的开关稳压器

对于串联线性稳压器，源将在100％的时间内提供功率，并且由于（1）源电压（幅度）大于负载，并且（2）源电流必须大于100％，因此必须浪费一部分功率。负载电流。

但是，对于开关稳压器，电源仅在开关周期的一部分时间内提供功率。在这段时间内，电源所提供的部分功率会传递给负载，其余的会传递给能量存储电路元件-浪费的很少。

然后，在关闭时间期间，能量存储电路元件将功率输送到负载。

这是关键的区别-在接通时间内仅从电源汲取足够的功率来为负载连续供电。

例如，如果负载需要连续的5W，则在5W 的平均功率下，源可能会在10％的时间内提供10W的功率，而在其余50％的时间内提供0W的功率。能量存储电路元件可“平滑”能量流-在导通时间内吸收多余的功率，然后在关断时间内提供电能。

理想的降压-升压型开关稳压器可以建模为一对直接连接到输入和输出的电容，一个线圈以及一些可以在三种配置之间切换的路由电路（仅降压，升压或反相电路）。只需要两个）。

1. 输入通过线​​圈连接到输出
2. 线圈直接跨输入连接
3. 线圈直接跨输出连接

假设组件以理想的方式工作（无电阻或开关损耗等），源极电容为10V，输出汲取1A电流，开关在第一配置中花费一半的时间，在第三配置中花费一半的时间，并且循环速度足够快，电容电压和线圈电流在每个周期内都不会有太大变化。

在“稳定”状态下，在上述条件下，线圈将一直流过一个安培电流（因为它始终与1安培的负载串联）。如果输出电容为5伏，那么一半时间线圈上的电压为+ 5V，一半时间为-5V，因此平均电流保持在1安培。一半的时间（当它连接到线圈时）从源极电容器中取出一安培，一半的时间没有电容器，因此，源极将汲取一半的电流。

观察切换器从源头汲取的电流比从负载汲取的电流更少的最简单方法是看电子流向何处：流经负载的电子有一半来自源极，一半来自负载切换为绕过信号源。因此，负载将流过的电流是源的两倍。

为了孔大家一起好老水流比喻，我会补充一点：假设我们有三个高度水平^ h ₁，H ^ _½，^ h ₀ ; 水的供应来自ħ ₁，然后在流入ħ _½位到它的目的地，在磨机上或东西，然后再返回一路ħ ₀。该稳压器在从过渡ħ ₁至ħ _½。

• 线性调节器是瀑布：电子刚轰轰下来，将其势能作为热能释放到环境中。对当前ħ _½将是相同的如上ħ ₁。

• 切换器不仅可以让水流下来，还可以有控制地在桶中分部分地降低水的流量。每个从H ₁降下的水桶都需要一个配重，自然要用到另一个从H ₀起的水桶！