超越数据手册：电压调节器的实际测试

最近，我一直在努力测试各种电子元件。你可能会问自己，为什么我不直接阅读数据手册，以节省时间和金钱。答案是，数据手册往往不如应有地包含你在特定用例中明智选择所需的所有细节。或者，数据手册可能会比实际性能更有利地展示一个组件。我想知道我为我制作和构建的项目选择的组件在现实世界测试中的表现。

在之前的帖子中，我强调了通过我的测试过程的前10名开关调节器模块。这一次，我将告诉你我测试的线性电压调节器的表现。  

线性调节器与开关调节器

线性调节器的工作原理

线性电压调节器提供从一个电压到另一个电压的降压转换。在它们的环氧树脂壳深处，你会发现一个非反相比较器输入，参考于一个特定的带隙电压，一个反相比较器输入监控输出电压，以及一个连接到比较器输出的晶体管。随着输入电压的轻微变化，高增益比较器电路调整晶体管偏置电压，立即影响输出电压和电流。简而言之，线性电压调节器非常擅长产生恒定的输出电压，不管输入电压如何。这种快速响应赋予了它们非常高的电源抑制比（PSRR），这使得它们非常适合用于敏感的下游电路（传感器，ADC等）。 但是线性调节器并不完美，它们也不是精细的设备。输入和输出电压之间的任何差异都会在调节器内部以热量的形式耗散。例如，从12V输入产生5V @ 1A的输出将产生（12V - 5V）*（1A）= 7W的热量。7瓦的热能对5瓦的电能并不是一个好的交换。 如何工作的开关调节器开关稳压器，或称为开关模式电源（SMPS），使用高频开关技术结合电容器和电感器等储能组件来降低甚至增加输入电压。它们的关键特性是效率，当线性稳压器在输入至输出电压范围增加时效率下降；开关稳压器能够在广泛的电压和负载范围内保持高效率。

开关稳压器的工作原理是通过快速地开启和关闭输入电压至电路；通过控制占空比（或开启时间与关闭时间的比率），可以调整输出电压。当稳压器开关打开时，能量以磁场的形式储存在电感器中，然后以稳定的电压释放到输出端。电容器平滑了这种快速上升和下降的电压，提供了相对平稳的输出。与线性稳压器相比，这个过程大大提高了效率，因为多余的能量不需要被带入电路中，也不需要转换成热能。

不幸的是，这种方法也有一些缺点。由于开关稳压器是按周期操作的，它们无法像线性稳压器那样迅速地对负载或输入电压的变化做出反应。当负载变化时，它们经常会经历瞬时电压下降或尖峰。因为在开关的“开”时间内，输入电压通过一个电感器连接到输出，输入电源中的噪声比在线性稳压器中更容易传递到输出。此外，稳压器的开关动作引入了它自己的噪声；随着电感器储存和释放能量，在开关频率处会发生电压波动。

需要注意的是，有多种开关稳压器拓扑结构，所以这是对它们操作的一个非常通用和广泛的概述。

结合开关和线性电压稳压器

当输入轨与输出供应之间存在高电压差，并且需要一个无噪声供应时，您可以串联使用开关电源(SMPS)和线性稳压器。开关电源将电压供应降至线性稳压器更适宜的输入电压，从而提供一个低噪声的供应线。例如，假设您有一个由12V电池供电的3.3V传感器。在这种情况下，您可能会使用一个开关稳压器将电压从12V降至4.5V，然后使用一个线性稳压器将电压从4.5V降至3.3V。您可以通过查看我的文章和视频，在其中我构建了一个从9V电池得到的双轨供应，来看到这个的实际应用示例。

低压降(LDO)

物理学提供了限制 - 开关和线性电压调节器在某一点上将无法正确工作。这一点通常在某种程度上取决于下游电路的电流需求。假设您计划使用LDO线性调节器从上游电源（如电池）向设备（如微控制器）提供稳定的电压，而该上游电源的电压正在下降。在这种情况下，您将需要确定您的电路何时不再工作，找到一种方法来感知该电压，并在操作变得不可靠之前关闭电路。

测试实际性能

78L09

我测试了来自Onsemi、STMicroelectronics和Texas Instruments的五个78L09型100 mA调节器。我预期这些部件可以互相替换，因为它们都有相同的部件编号（查看结果）。这样做真是太好了，因为它们的性能确实不尽相同！

降压电压

降压电压是电压调节模块能够按照规定正常工作的最低输入电压。这意味着对于9V的稳定输出，安森美半导体的MC78L09ABPRAG需要的最小输入电压是9 V + 1.63 V = 10.63 V。最好和最差部件的降压电压之间有170 mV的差异，德州仪器的UA78L09ACLPRE3需要10.8 V才能正常工作。这意味着我要么需要为最差的部件选择设计我的解决方案，要么为最好的部件设计并且不接受替代品。但无论哪种方式，我都在损失一些东西。如果我为最差的部件设计，我将会消耗额外的能量作为热量，减少我的功率预算并且不必要地缩短电池寿命。如果我为最好的部件设计，我可能会将自己限制在额外的费用上，或者更糟的是，部件短缺。

如果我在一家公司工作，采购经理说：“用德州仪器的78L09代替OnSemi的78L09可以吗？这样在整个生产过程中可以节省大约200美元。”答案应该是简单的“是的”，但如果不测试替代部件，你可能会发现你的电路并不像预期的那样工作，这取决于你设计时对于降压电压、热输出或噪声性能的严格程度。

效率

在几个输入电压点检查效率时，你可能会看到在非常轻载下有10到15百分比的差异。这听起来可能不多，但如果你是从电池操作，或者有一个外壳不能轻易将热能散发到环境中，那么这种轻微的变化可能会对你的设计的寿命和工作周期产生不利影响。 

幸运的是，当我们达到这些调节器的最大电流额定值时，它们都在几个百分点之内。我们在德州仪器组件的最大额定电压24V时失去了它。相比之下，其他四个调节器可以在高达30伏的输入电压下工作。

在11.9V输入和8毫安负载下，我测量到所有组件的噪声在6到18毫伏之间。当负载上升到30毫安时，每个调节器的RMS噪声相差不到一毫伏。假设你用这些调节器为低电流和敏感设备（如高增益放大器）供电。在这种情况下，如果你在未经测试的情况下切换到另一种零件，调节器之间的噪声差异可能不是理想的。

虽然我不推荐在线性调节器可以处理的最大输入电压下运行，但在30伏输入电压下，不同制造商之间的噪声可能会有很大差异。

那么，你应该选择哪种调节器呢？我编写了一个非常长的SQL查询来汇总所有测试数据，突出显示值得注意的数字，并对我测试的调节器进行排名。排名偏好低平均降压电压、高效率和低噪声。

在第一和第二位置，我们有Microchip的MCP1700和MCP1702。我分别测试了它们的3.3伏和5伏版本。这些调节器拥有我测试过的所有调节器中一些最低的压降，使它们排名非常高。它们的噪声性能也非常出色，但是，就像我们上次看到的开关调节器一样 - 它们确实需要一个最小负载以稳定运行；它只是比它们的开关对应物要低得多。 

噪声数据是用我的Rigol MSO5000系列示波器收集的，该示波器具有相对较高的噪声底限。将来，我计划使用我的Rohde and Schwarz MXO44或Keysight MXR重新测试所有调节器，这些设备的噪声底限要低得多。 

效率是排名的另一个关键参数，而Microchip MCP1700系列的表现...对于线性调节器来说非常好。效率图表清晰地显示了输入电压和效率之间的线性关系。

排名下一个的是STMicroelectronics LF50CV，这是一个五伏半安的稳压器。图表可能会让人觉得其压差电压比MCP1702五伏稳压器要高。然而，这个稳压器可以提供双倍的电流 - 在MCP1702的最大250mA电流下，LF50CV在压差性能上略胜一筹。效率方面，它与MCP1702几乎相同，这是我们所预期的。

噪声数据与压差数据非常相似。仅仅看图表会让人觉得LF50CV的噪声要大得多，但这更多是因为负载加倍的趋势继续。例如，在8伏电源和250mA负载下，MCP1702的RMS噪声为3.79mV，而在270mA负载下，LF50CV的RMS噪声为3.46mV。

接下来看看德州仪器的LM3940IT一安培、3.3伏稳压器——其电压降幅略优于MCP1700。看效率图表时，情况变得相当有趣。这款稳压器在轻负载下的效率急剧下降，是我们看过的第一款表现出这种陡峭下降的稳压器。总的来说，一旦效率达到线性点，它的效率比MCP1700低几个百分点。

LM3940IT的噪声也很有趣，尽管我怀疑我知道原因。总的来说，噪声性能非常出色，并且在极轻负载下非常稳定。我预计图表中的大幅波动是测量错误——具体来说，是稳压器开始热关机。我将这些稳压器都安装在带有高性能导热膏和双侧风扇的巨大散热器上……但对于某些组件来说，这仍然不足以将热量从封装中移出。LM3940IT在所有电压和负载下的平均噪声是所有测试过的稳压器中最好的，即使考虑到这些奇怪的噪声峰值。

位居第五，但远非排名末尾的又是一款德州仪器的产品，TL780-12KCS。这是一款1.5安培12伏输出的稳压器。鉴于其较高的电流和输出电压，我预计与我们已经看过的部件相比，它会有一个相当显著的电压降。数据并没有让人失望 - 在1.5安培的负载下，你会希望给这个稳压器至少15伏，以留出一些零件之间差异的余地。在这种负载下，你需要处理4.5瓦的废热！不出所料，在从30伏输入供电时，稳压器在供应1.5安培负载时进入了热关断。然而，它并不是测试中最早进入热关断的。

效率正如你所预期的，除了在最轻负载时的急剧下降，就像我们从上一个TI部件看到的那样。这是一个非常便宜的稳压器，所以我可以理解为什么你可能会选择它而不是开关稳压器 - 但如果输出噪声不是问题，那么拥有热管理可能的成本会比选择线性稳压器替代风格的开关稳压器更高。

那么，让我们来看看噪声，因为如果你在看这样一个调节器，那不是因为它的效率！在最轻的负载下会有轻微的不稳定，但这很快就会消失。它的噪声性能在整个负载范围内相对一致。

总结我们对线性调节器的探索，让我们回到中心问题：何时应该使用线性调节器而不是开关调节器？正如我们所见，答案取决于效率、噪声和热管理之间的平衡。对于低噪声至关重要的应用，尤其是在敏感的模拟电路中，线性调节器是首选。然而，它们在效率上的缺点，特别是在较高负载和显著的输入到输出电压差异下，是不可忽视的。

通过这35个线性调节器的旅程，揭示了一个充满变化的性能景观。即使在同一系列的组件中，我们也观察到了可能对您的项目性能和设计考虑产生重大影响的差异。这强调了进行实际测试的重要性，而不是仅仅依赖数据手册规格。

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