初学者电源教程：第五部分——比较不同类型的电源
在本系列教程的第四部分中，我们讨论了开关 电源 （包括降压和升压转换器）的工作原理和测试方法。在第五部分中，我们将对比已经学习过的不同 电源 类型，包括线性 电源 和开关电源，并深入分析它们各自的优缺点，以及它们在不同应用中的适用性。
电源的种类非常多，从微瓦（mW）甚至纳瓦（uW）功率的小型系统，到兆瓦（MW）级别的电力生成与分配系统。在选择电源时，了解每种电源类型的优缺点，选择最合适的电源至关重要。不同的应用场景要求不同类型的电源，以便最大化效率、性能和成本效益。
微型系统 （如能源收集）需要非常低的功率，通常在微瓦或纳瓦级别。
大型系统 （如电力生成和分配）需要高功率电源，通常达到兆瓦级别。
选择最适合的电源可以有效提高效率，减少浪费，并确保设备的长期稳定运行。
无论是哪种类型的电源，我们都需要测量输入电流、电压和输出电流、电压，以计算其效率。效率的计算公式为：
效率=输出功率输入功率=VOUT×IOUTVIN×IINtext{效率} = frac{text{输出功率}}{text{输入功率}} = frac{V_{text{OUT}} times I_{text{OUT}}}{V_{text{IN}} times I_{text{IN}}} 效率 = 输入功率 输出功率 = V IN × I IN V OUT × I OUT
对于功率较小的电源（小于0.1瓦），需要使用专用的测试设备，因为普通的电流表和电压表在测量时会产生功率消耗，从而影响测量结果。
在本教程中，我们将重点关注至少输出1瓦功率的电源，因为对于这些功率级别的电源，我们的测量设备更加适用。
我们首先对一个非稳压的线性电源进行了测试。使用500mA的线性电流源，我们分别测量了输入电流和电压以及输出电流和电压。在实际测试中，线性电源的效率相对较低，因为它们将多余的电能转化为热能，而不是有效地将电能转换为输出功率。
与线性电源相比，开关电源在相同输入电压和负载条件下表现出了更高的效率。通过测试，我们发现开关电源的输入电流明显低于线性电源，而输出电流保持稳定。这表明开关电源能够更有效地转换功率，减少能量损失。
例如，在使用12V输入电压为开关电源提供电力时，开关电源的输入电流明显较低，说明其转换效率较高。
在同样的输入电压、输出电压和输出电流条件下，开关电源的效率显著高于线性电源。这使得开关电源在提供相同输出功率时，产生的热量较少，元件温度较低。
例如，在一台同步Buck转换器的测试中，我们观察到其输出功率为27瓦到28瓦，输入电压为12V，输出电压为5V，输出电流为约5.5A。虽然功率较大，但由于其高效率，开关电源的温度几乎没有升高，功率MOSFET的温度仅为30°C左右。
与开关电源相比，线性电源在相同条件下产生的功率损耗较大。尤其是在输入电压远高于输出电压时，线性稳压器会将多余的电压转化为热量，从而导致较高的温升。例如，我们测试了一个带散热器的线性稳压器，发现其功率MOSFET温度接近100°C，远高于开关电源的温度。
开关电源由于其较高的效率，产生的热量较少，通常不需要额外的散热器。而线性电源则需要较大的散热器来处理其较高的功率损耗。尤其是在较高负载时，线性稳压器的散热要求会大幅增加，这使得设计和成本上有较高的要求。
在线性稳压器和开关稳压器的比较中，线性稳压器在输出电压的平稳性方面具有明显优势。由于线性稳压器直接调节输出电流，输出电压波动非常小，几乎没有噪声或波纹。
由于开关稳压器通过高频开关元件工作，其输出电压往往会产生较大的波纹（Ripple）。例如，在Buck稳压器的测试中，输出电压的波纹较为明显。这是因为开关电源在转换过程中不可避免地产生高频噪声。
为了减少开关稳压器的波纹，通常需要在输出端增加低通滤波器（LC滤波器）。这种滤波器能够有效去除高频噪声，平滑输出电压。
线性稳压器由于其工作原理简单，产生的电磁干扰（EMI）较小。与开关稳压器相比，线性稳压器几乎不会产生高频噪声，因此它非常适合对电磁干扰敏感的应用，如精密仪器和音频设备。
开关稳压器由于其高频开关特性，通常会产生较强的电磁干扰。我们通过使用调频（FM）和调幅（AM）收音机测试了不同电源的电磁干扰，结果发现开关稳压器在开关节点和电感处会产生明显的噪声，而线性稳压器则几乎没有干扰。
在测试中，当开关稳压器开启时，AM广播收音机的接收到的噪声显著增大，而当线性稳压器开启时，噪声则非常微弱，可以继续接收正常的广播信号。
优点：
输出电压平稳，几乎没有波纹，适合对电压稳定性要求较高的应用。
电磁干扰（EMI）较小，适合对噪声敏感的设备。
设计简单，成本较低，适用于低功率和简单应用。
缺点：
效率较低，尤其是在输入电压和输出电压差较大时，功率损耗大，温升较高。
功率较高时需要较大的散热器，体积较大，成本较高。
优点：
高效，功率损耗小，适合高功率应用。
输出电压稳定，适应更广泛的输入电压范围。
小巧、紧凑，适合空间有限的应用。
缺点：
输出波纹较大，可能需要额外的滤波器来平滑输出电压。
电磁干扰较大，需要额外的EMI抑制措施。
设计复杂，调试较为困难。
根据不同应用场景选择适合的电源类型非常重要。对于低功率、对噪声敏感的设备，线性电源可能更为适合。而对于高功率、对效率要求较高的设备，开关电源则是更好的选择。
在电源设计时，理解不同电源类型的优缺点，并根据应用需求进行选择，能够确保电源系统在性能、效率和成本上的最佳平衡。
感谢大家观看本系列教程，我们已经完整介绍了多种电源类型及其应用。希望通过这些教程，您能对电源设计和测试有更深入的理解。如果您有任何问题或建议，欢迎随时与我们联系。