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幹貨|一文講透DC-DC與LDO的原理和差別

LDO:

低壓差線性穩壓器,故名思意為線性的穩壓器,僅能使用在降壓應用中,也就是輸出電壓必需小于輸入電壓。

優點:穩定性好,負載響應快,輸出紋波小。

缺點: 效率低,輸入輸出的電壓差不能太大,負載不能太大,目前最大的LDO為5A,但要保證5A的輸出還有很多的限制條件。

DC/DC:

直流電壓轉直流電壓,嚴格來講,LDO也是DC/DC的一種,但目前DC/DC多指開關電源,具有很多種拓樸結構,如BUCK,BOOST等。

優點: 效率高,輸入電壓範圍較寬。

缺點: 負載響應比LDO差,輸出紋波比LDO大。

那麼,DC/DC和LDO的差別是什麼?

DC/DC轉換器一般由控制晶片,電杆線圈,二極管,三極管,電容構成, DC/DC轉換器為轉變輸入電壓後有效輸出固定電壓的電壓轉換器。DC/DC轉換器分為三類: 升壓型DC/DC轉換器、降壓型DC/DC轉換器以及升降壓型DC/DC轉換器。

根據需求可采用三類控制:

PWM控制型效率高并具有良好的輸出電壓紋波和噪聲;

PFM控制型即使長時間使用,尤其小負載時具有耗電小的優點;

PWM/PFM轉換型小負載時實行PFM控制,且在重負載時自動轉換到PWM控制。

目前DC-DC轉換器廣泛應用于手機、MP3、數位相機、便攜式媒體播放器等産品中。

DC-DC簡述原理

其實内部是先把DC直流電源轉變為交流電電源AC,通常是一種自激震蕩電路,是以外面需要電感等分立元件。 然後在輸出端再通過積分濾波,又回到DC電源,由于産生AC電源,是以可以很輕松的進行升壓跟降壓。 兩次轉換,必然會産生損耗,這就是大家都在努力研究的如何提高DC-DC效率的問題。

對比

DCtoDC包括boost(升壓)、buck(降壓)、Boost/buck(升/降壓)和反相結構,具有高效率、高輸出電流、低靜态電流等特點,随着內建度的提高,許多新型DC-DC轉換器的外圍電路僅需電感和濾波電容,但該類電源控制器的輸出紋波和開關噪聲較大、成本相對較高。

LDO低壓差線性穩壓器的突出優點是具有最低的成本,最低的噪聲和最低的靜态電流,它的外圍器件也很少,通常隻有一兩個旁路電容,新型LDO可達到以下名額:30μV輸出噪聲、60dBPSRR、6μA靜态電流及100mV的壓差。

LDO簡述原理

線性穩壓器能夠實作這些特性的主要原因在于内部調整管采用了P溝道場效應管,而不是通常線性穩壓器中的PNP半導體。P溝道的場效應管不需要基極電流驅動,是以大大降低了器件本身的電源電流。 另一方面,在采用PNP管的結構中,為了防止PNP半導體進入飽和狀态降低輸出能力,必須保證較大的輸入輸出壓差。 而P溝道場效應管的壓差大緻等于輸出電流與其導通電阻的乘積,極小的導通電阻使其壓差非常低。

當系統中輸入電壓和輸出電壓接近的時候,LDO是最好的選擇,可達到很高的效率。 是以在将锂離子電池電壓轉換為3V電壓的應用中大多選用LDO,盡管電池最後放電能量的百分之十沒有使用,但是LDO仍然能夠在低噪聲結構中提供較長的電池壽命。

便攜電子裝置不管是由交流市電經過整流(或交流擴充卡)後供電,還是由蓄電池組供電,工作過程中,電源電壓都将在很大範圍内變化。 比如單體锂離子電池充足電時的電壓為4.2V,放完電後的電壓為2.3V,變化範圍很大。

各種整流器的輸出電壓不僅受市電電壓變化的影響,還會受負載變化的影響, 為了保證供電電壓穩定不變,幾乎所有的電子裝置都采用穩壓器供電。 小型精密電子裝置還要求電源非常幹淨,要無紋波、無噪聲,以免影響電子裝置正常工作。 為了滿足精密電子裝置的要求,應在電源的輸入端加入線性穩壓器,以保證電源電壓恒定和實作有源噪聲濾波。

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LDO的基本原理

低壓差線性穩壓器(LDO)的基本電路如圖1-1所示,該電路由串聯調整管VT(PNP半導體,注:實際應用中,此處常用的是P溝道場效應管)、取樣電阻R1和R2、比較放大器A組成。

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圖1-1低壓差線性穩壓器基本電路

取樣電壓Uin,加在比較器A的同相輸入端,與加在反相輸入端的基準電壓Uref(Uout*R2/(R1+R2))相比較, 兩者的內插補點經放大器A放大後,Uout=(U+-U-)*A注A為比較放大器的倍數,控制串聯調整管的壓降,進而穩定輸出電壓。 當輸出電壓Uout降低時,基準電壓Uref與取樣電壓Uin的內插補點增加,比較放大器輸出的驅動電流增加,串聯調整管壓降減小,進而使輸出電壓升高。

相反,若輸出電壓Uout超過所需要的設定值,比較放大器輸出的前驅動電流減小,進而使輸出電壓降低。 供電過程中,輸出電壓校正連續進行,調整時間隻受比較放大器和輸出半導體回路反應速度的限制。 應當說明,實際的線性穩壓器還應當具有許多其它的功能,比如負載短路保護、過壓關斷、過熱關斷、反接保護等,而且串聯調整管也可以采用MOSFET。

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低壓差線性穩壓器的主要參數

1.輸出電壓

輸出電壓是低壓差線性穩壓器最重要的參數,也是電子裝置設計者選用穩壓器時首先應考慮的參數。 低壓差線性穩壓器有固定輸出電壓和可調輸出電壓兩種類型,固定輸出電壓穩壓器使用比較友善,而且由于輸出電壓是經過廠家精密調整的,是以穩壓器精度很高。 但是其設定的輸出電壓數值均為常用電壓值,不可能滿足所有的應用要求,但是外接元件數值的變化将影響穩定精度。

2.最大輸出電流

用電裝置的功率不同,要求穩壓器輸出的最大電流也不相同,通常,輸出電流越大的穩壓器成本越高。 為了降低成本,在多隻穩壓器組成的供電系統中,應根據各部分所需的電流值選擇适當的穩壓器。

3.輸入輸出電壓差

輸入輸出電壓差是低壓差線性穩壓器最重要的參數,在保證輸出電壓穩定的條件下,該電壓壓差越低,線性穩壓器的性能就越好。 比如,5.0V的低壓差線性穩壓器,隻要輸入5.5V電壓,就能使輸出電壓穩定在5.0V。

4.接地電流

接地電路IGND是指串聯調整管輸出電流為零時,輸入電源提供的穩壓器工作電流。 該電流有時也稱為靜态電流,但是采用PNP半導體作串聯調整管元件時,這種習慣叫法是不正确的,通常較理想的低壓差穩壓器的接地電流很小。

5.負載調整率

負載調整率可以通過圖2-1和式2-1來定義,LDO的負載調整率越小,說明LDO抑制負載幹擾的能力越強。

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圖2-1OutputVoltage&OutputCurrent

(2-1)

式中:

△Vload—負載調整率;

Imax—LDO最大輸出電流;

Vt—輸出電流為Imax時,LDO的輸出電壓;

Vo—輸出電流為0.1mA時,LDO的輸出電壓;

△V—負載電流分别為0.1mA和Imax時的輸出電壓之差。

6.線性調整率

線性調整率可以通過圖2-2和式2-2來定義,LDO的線性調整率越小,輸入電壓變化對輸出電壓影響越小,LDO的性能越好。

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圖2-2OutputVoltage&InputVoltage

(2-2)

△Vline—LDO線性調整率;

Vo—LDO名義輸出電壓;

Vmax—LDO最大輸入電壓;

△V—LDO輸入Vo到Vmax'輸出電壓最大值和最小值之差。

7.電源抑制比

LDO的輸入源往往有着許多幹擾信号的存在,PSRR反映了LDO對于這些幹擾信号的抑制能力。

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LDO的典型應用

低壓差線性穩壓器的典型應用如圖3-1所示,圖3-1(a)所示電路是一種最常見的AC/DC電源,交流電源電壓經變壓器後,變換成所需要的電壓,該電壓經整流後變為直流電壓。 在該電路中,低壓差線性穩壓器的作用是:在交流電源電壓或負載變化時穩定輸出電壓,抑制紋波電壓,消除電源産生的交流噪聲。

各種蓄電池的工作電壓都在一定範圍内變化,為了保證蓄電池組輸出恒定電壓,通常都應當在電池組輸出端接入低壓差線性穩壓器,如圖3-1(b)所示。

低壓差線性穩壓器的功率較低,是以可以延長蓄電池的使用壽命, 同時,由于低壓差線性穩壓器的輸出電壓與輸入電壓接近,是以在蓄電池接近放電完畢時,仍可保證輸出電壓穩定。 衆所周知,開關性穩壓電源的效率很高,但輸出紋波電壓較高,噪聲較大,電壓調整率等性能也較差,特别是對模拟電路供電時,将産生較大的影響。

在開關性穩壓器輸出端接入低壓差線性穩壓器,如圖3-1(c)所示,就可以實作有源濾波,而且也可大大提高輸出電壓的穩壓精度,同時電源系統的效率也不會明顯降低。

在某些應用中,比如無線電通信裝置通常隻有一足電池供電,但各部分電路常常采用互相隔離的不同電壓,是以必須由多隻穩壓器供電。 為了節省共電池的電量,通常裝置不工作時,都希望低壓差線性穩壓器工作于睡眠狀态,為此,要求線性穩壓器具有使能控制端。 有單組蓄電池供電的多路輸出且具有通斷控制功能的供電系統如圖3-1(d)所示。

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圖3-1低壓差線性穩壓器(LDO)典型應用

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DC-DC 應當可以這樣了解

DC-DC的意思是直流變(到)直流,即不同直流電源值的轉換,隻要符合這個定義都可以叫DCDC轉換器,包括LDO。 但是一般的說法是把直流變(到)直流由開關方式實作的器件叫DCDC。DC-DC轉換器包括升壓、降壓、升/降壓和反相等電路,DC-DC轉換器的優點是效率高、可以輸出大電流、靜态電流小。 随著內建度的提高,許多新型DC-DC轉換器僅需要幾隻外接電感器和濾波電容器。

但是,這類電源控制器的輸出脈動和開關噪音較大、成本相對較高,近幾年來,随著半導體技術的發展,表面貼裝的電感器、電容器、以及高內建度的電源控制晶片的成本不斷降低,體積越來越小。 由於出現了導通電阻很小的MOSFET可以輸出很大功率,因而不需要外部的大功率FET。 例如對于3V的輸入電壓,利用晶片上的NFET可以得到5V/2A的輸出,其次,對于中小功率的應用,可以使用成本低小型封裝。 另外,如果開關頻率提高到1MHz,還能夠降低成本、可以使用尺寸較小的電感器和電容器。 有些新器件還增加許多新功能,如軟啟動、限流、PFM或者PWM方式選擇等。

總的來說,升壓是一定要選DCDC的,降壓,是選擇DCDC還是LDO,要在成本,效率,噪聲和性能上比較。

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LDO與DC/DC對比

首先從效率上說,DC/DC的效率普遍要遠高于LDO,這是其工作原理決定的。 其次,DC/DC有Boost、Buck、Boost/Buck,有人把ChargePump也歸為此類,而LDO隻有降壓型。

再次,也是很重要的一點,DC/DC因為其開關頻率的原因導緻其電源噪聲很大,遠比LDO大的多,大家可以關注PSRR這個參數。 是以當考慮到,比較敏感的模拟電路時候,有可能就要犧牲效率為保證電源的純淨而選擇LDO。

還有,通常LDO所需要的外圍器件簡單占面積小,而DC/DC一般都會要求電感,二極管,大電容,有的還會要MOSFET。 特别是Boost電路,需要考慮電感的最大工作電流,二極管的反向恢複時間,大電容的ESR等等,是以從外圍器件的選擇來說比LDO複雜,而且占面積也相應的會大很多。

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