[硬件电路-144]：模拟电路 - 开关电源与线性稳压电源常见的性能指标对比
一、效率与能耗：
- 线性稳压电源：效率较低，通常在30%-60%之间。调整管持续工作在线性区，输入电压与输出电压的差值以热量形式消耗，导致能量损失大。例如，7805稳压器在输入7V时效率最高，但输入10V以上时效率低于50%。
- 开关电源：效率较高，可达75%-95%。通过高频开关管快速通断，减少能量损耗，仅在开关瞬间消耗能量，其余时间功耗极低。
二、输出功率与功率密度：
- 线性稳压电源：输出功率受限，需庞大散热器，体积和重量大，功率密度低。例如，大功率应用需额外散热设计，成本高且体积笨重。
- 开关电源：支持高功率输出，功率密度高。通过高频变压器和紧凑设计，可轻松实现千瓦级输出，且支持并联扩容。
三、输出纹波与噪声：
- 线性稳压电源：输出纹波小（<5mV），噪声低，适合对电源质量要求高的场景，如音频放大器、精密仪器。
- 开关电源：输出纹波较大（>10mV），需额外滤波电路，可能产生高频电磁干扰（EMI），但通过优化设计可满足大多数应用需求。
四、动态响应与稳定性：
- 线性稳压电源：动态响应快，调整速度由元件本身决定，能快速应对负载电流变化，输出电压稳定度高（通常在±1%以内）。
- 开关电源：动态响应速度与开关频率相关，高频设计可提升响应速度，但负载突变时可能出现短暂过冲或欠冲。
五、体积与重量：
- 线性稳压电源：需工频变压器和大容量滤波电容，体积庞大且笨重。
- 开关电源：采用高频变压器和紧凑设计，体积小、重量轻，适合便携设备和空间受限场景。
六、成本与维护：
- 线性稳压电源：初期成本低，结构简单，但大功率场景下需额外散热设计，长期运营成本高。
- 开关电源：初期成本较高，但高效节能，长期运营成本低，且具备过载、短路、过压、过热保护，可靠性高。
七、应用场景：
- 线性稳压电源：适合低功率、对噪声敏感的应用，如音频设备、实验室仪器、医疗设备。
- 开关电源：适合高功率、高效率需求场景，如工业自动化、LED照明、通信设备、数据中心。
八、开关电源常见的纹波的频率
基础纹波频率：开关电源的纹波频率主要由其核心开关元件（如MOSFET）的切换频率决定。当开关管导通或截止时，电感中的电流会在输出电流有效值附近波动，形成与开关频率相同的纹波。这类基础纹波的频率范围通常为几十kHz到几百kHz，例如常见的100kHz、200kHz或500kHz等。
高频噪声频率：在开关管导通和截止的瞬间，其上升/下降时间会产生高频噪声。这类噪声的频率通常为几十MHz，甚至可能达到奇数倍频。此外，二极管反向恢复时，其等效电路中的电阻、电容和电感会引发谐振，产生同样频率范围的高频噪声。这些高频噪声的幅值通常比基础纹波更大。
特殊场景下的纹波频率：
- AC/DC变换器：除上述纹波外，还会产生频率为50～60Hz的AC噪声，这是由输入交流电源的频率决定的。
- 共模噪声：当开关电源的功率器件使用外壳作为散热器时，可能因等效电容效应产生共模噪声，其频率范围需结合具体电路分析。
九、线性电源的纹波
线性电源的纹波噪声频率通常较低，主要来源于工频整流后的低频纹波，频率为输入交流频率的整数倍（如50Hz、100Hz、300Hz等），且幅值较小、较易滤除。以下是对线性电源纹波噪声频率的详细分析：
1、工频整流纹波
- 频率来源：线性电源通常使用工频变压器（如50Hz或60Hz）进行降压，然后通过整流电路将交流电转换为直流电。整流过程中会产生与输入交流频率相关的纹波。
- 频率特点：对于半波整流，纹波频率为输入频率的1倍（如50Hz）；对于全波整流，纹波频率为输入频率的2倍（如100Hz）；对于三相全波整流，纹波频率为输入频率的6倍（如300Hz）。
- 幅值与滤除：这种纹波的幅值通常较小，且由于频率较低，较易通过滤波电路（如电容滤波）进行滤除。
2、其他低频纹波
- 来源：除了工频整流纹波外，线性电源中还可能存在其他低频纹波，如由电源变压器绕组间电容耦合引起的纹波、由整流二极管非线性特性引起的纹波等。
- 频率范围：这些纹波的频率通常也较低，且幅值较小。
3、线性电源纹波噪声频率的显著特点
- 低频主导：线性电源的纹波噪声频率以低频为主，主要来源于工频整流后的低频纹波。
- 幅值较小：与开关电源相比，线性电源的纹波噪声幅值通常较小。
- 易滤除：由于频率较低，线性电源的纹波噪声较易通过滤波电路进行滤除。