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工程师必看!一文帮你弄懂DC-DC和LDO的原理和区别

LDO:低压差线性稳压器,顾名思义为线性的稳压器,仅能使用在降压应用中,也就是输出电压必需小于输入电压。

优点:稳定性好,负载响应快,输出纹波小。

缺点:效率低,输入输出的电压差不能太大,负载不能太大,目前最大的LDO为5A,但要保证5A的输出还有很多的限制条件。


DC/DC:直流电压转直流电压,严格来讲,LDO也是DC/DC的一种,但目前DC/DC多指开关电源,具有很多种拓朴结构,如BUCK,BOOST等。
优点:效率高,输入电压范围较宽。
缺点:负载响应比LDO差,输出纹波比LDO大
那么,DC/DC和LDO的区别是什么?
DC/DC转换器一般由控制芯片,电杆线圈,二极管,三极管,电容构成,DC/DC转换器为转变输入电压后有效输出固定电压的电压转换器。
DC/DC转换器分为三类:升压型DC/DC转换器、降压型DC/DC转换器以及升降压型DC/DC转换器。
根据需求可采用三类控制:

PWM控制型效率高并具有良好的输出电压纹波和噪声;

PFM控制型即使长时间使用,尤其小负载时具有耗电小的优点;

PWM/PFM转换型小负载时实行PFM控制,且在重负载时自动转换到PWM控制。

目前DC-DC转换器广泛应用于手机、MP3、数码相机、便携式媒体播放器等产品中。

DC-DC简述原理


其实内部是先把DC直流电源转变为交流电电源AC,通常是一种自激震荡电路,所以外面需要电感等分立元件。
然后在输出端再通过积分滤波,又回到DC电源,由于产生AC电源,所以可以很轻松的进行升压跟降压。
两次转换,必然会产生损耗,这就是大家都在努力研究的如何提高DC-DC效率的问题。
对比:
  • DC to DC包括boost(升压)、buck(降压)、Boost/buck(升/降压)和反相结构,具有高效率、高输出电流、低静态电流等特点,随着集成度的提高,许多新型DC-DC转换器的外围电路仅需电感和滤波电容,但该类电源控制器的输出纹波和开关噪声较大、成本相对较高。
  • LDO低压差线性稳压器的突出优点是具有最低的成本,最低的噪声和最低的静态电流,它的外围器件也很少,通常只有一两个旁路电容,新型LDO可达到以下指标:30μV输出噪声、60dBPSRR、6μA静态电流及100mV的压差。

LDO简述原理



线性稳压器能够实现这些特性的主要原因在于内部调整管采用了P沟道场效应管,而不是通常线性稳压器中的PNP晶体管。
P沟道的场效应管不需要基极电流驱动,所以大大降低了器件本身的电源电流。
另一方面,在采用PNP管的结构中,为了防止PNP晶体管进入饱和状态降低输出能力,必须保证较大的输入输出压差。
而P沟道场效应管的压差大致等于输出电流与其导通电阻的乘积,极小的导通电阻使其压差非常低。
当系统中输入电压和输出电压接近的时候,LDO是最好的选择,可达到很高的效率。
所以在将锂离子电池电压转换为3V电压的应用中大多选用LDO,尽管电池最后放电能量的百分之十没有使用,但是LDO仍然能够在低噪声结构中提供较长的电池寿命。
便携电子设备不管是由交流市电经过整流(或交流适配器)后供电,还是由蓄电池组供电,工作过程中,电源电压都将在很大范围内变化。
比如单体锂离子电池充足电时的电压为4.2V,放完电后的电压为2.3V,变化范围很大。
各种整流器的输出电压不仅受市电电压变化的影响,还会受负载变化的影响, 为了保证供电电压稳定不变,几乎所有的电子设备都采用稳压器供电。
小型精密电子设备还要求电源非常干净,要无纹波、无噪声,以免影响电子设备正常工作。
为了满足精密电子设备的要求,应在电源的输入端加入线性稳压器,以保证电源电压恒定和实现有源噪声滤波。

01、LDO的基本原理

低压差线性稳压器(LDO)的基本电路如图1-1所示,该电路由串联调整管VT(PNP晶体管,注:实际应用中,此处常用的是P沟道场效应管)、取样电阻R1和R2、比较放大器A组成。

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图1-1:低压差线性稳压器基本电路

取样电压Uin,加在比较器A的同相输入端,与加在反相输入端的基准电压Uref(Uout*R2/(R1+R2))相比较,两者的差值经放大器A放大后,Uout=(U+-U-)*A,注:A为比较放大器的倍数,控制串联调整管的压降,从而稳定输出电压。
当输出电压Uout降低时,基准电压Uref与取样电压Uin的差值增加,比较放大器输出的驱动电流增加,串联调整管压降减小,从而使输出电压升高。
相反,若输出电压Uout超过所需要的设定值,比较放大器输出的前驱动电流减小,从而使输出电压降低。
供电过程中,输出电压校正连续进行,调整时间只受比较放大器和输出晶体管回路反应速度的限制。
应当说明,实际的线性稳压器还应当具有许多其它的功能,比如负载短路保护、过压关断、过热关断、反接保护等,而且串联调整管也可以采用MOSFET

02、低压差线性稳压器的主要参数

1)输出电压
输出电压是低压差线性稳压器最重要的参数,也是电子设备设计者选用稳压器时首先应考虑的参数。
低压差线性稳压器有固定输出电压和可调输出电压两种类型,固定输出电压稳压器使用比较方便,而且由于输出电压是经过厂家精密调整的,所以稳压器精度很高。
但是其设定的输出电压数值均为常用电压值,不可能满足所有的应用要求,但是外接元件数值的变化将影响稳定精度。

2)最大输出电流

用电设备的功率不同,要求稳压器输出的最大电流也不相同,通常,输出电流越大的稳压器成本越高。

为了降低成本,在多只稳压器组成的供电系统中,应根据各部分所需的电流值选择适当的稳压器。
3)输入输出电压差
输入输出电压差是低压差线性稳压器最重要的参数,在保证输出电压稳定的条件下,该电压压差越低,线性稳压器的性能就越好。
比如,5.0V的低压差线性稳压器,只要输入5.5V电压,就能使输出电压稳定在5.0V。
4)接地电流
接地电路IGND是指串联调整管输出电流为零时,输入电源提供的稳压器工作电流。
该电流有时也称为静态电流,但是采用PNP晶体管作串联调整管元件时,这种习惯叫法是不正确的,通常较理想的低压差稳压器的接地电流很小。
5)负载调整率
负载调整率可以通过图2-1和式2-1来定义,LDO的负载调整率越小,说明LDO抑制负载干扰的能力越强。

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图2-1:OutputVoltage&OutputCurrent

upfile
(2-1)

式中:
  • △Vload—负载调整率;
  • Imax—LDO最大输出电流;
  • Vt—输出电流为Imax时,LDO的输出电压;
  • Vo—输出电流为0.1mA时,LDO的输出电压;
  • △V—负载电流分别为0.1mA和Imax时的输出电压之差。
6)线性调整率
线性调整率可以通过图2-2和式2-2来定义,LDO的线性调整率越小,输入电压变化对输出电压影响越小,LDO的性能越好。

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图2-2:OutputVoltage&InputVoltage

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(2-2)

式中:
  • △Vline—LDO线性调整率;
  • Vo—LDO名义输出电压;
  • Vmax—LDO最大输入电压;
  • △V—LDO输入 VoVmax输出电压最大值和最小值之差。
7)电源抑制比
LDO的输入源往往有着许多干扰信号的存在,PSRR反映了LDO对于这些干扰信号的抑制能力。

03、LDO的典型应用

低压差线性稳压器的典型应用如图3-1所示,图3-1(a)所示电路是一种最常见的AC/DC电源,交流电源电压经变压器后,变换成所需要的电压,该电压经整流后变为直流电压。
在该电路中,低压差线性稳压器的作用是:在交流电源电压或负载变化时稳定输出电压,抑制纹波电压,消除电源产生的交流噪声。
各种蓄电池的工作电压都在一定范围内变化,为了保证蓄电池组输出恒定电压,通常都应当在电池组输出端接入低压差线性稳压器,如图3-1(b)所示。
低压差线性稳压器的功率较低,因此可以延长蓄电池的使用寿命,同时,由于低压差线性稳压器的输出电压与输入电压接近,因此在蓄电池接近放电完毕时,仍可保证输出电压稳定。
众所周知,开关性稳压电源的效率很高,但输出纹波电压较高,噪声较大,电压调整率等性能也较差,特别是对模拟电路供电时,将产生较大的影响。
在开关性稳压器输出端接入低压差线性稳压器,如图3-1(c)所示,就可以实现有源滤波,而且也可大大提高输出电压的稳压精度,同时电源系统的效率也不会明显降低。
在某些应用中,比如无线电通信设备通常只有一足电池供电,但各部分电路常常采用互相隔离的不同电压,因此必须由多只稳压器供电。
为了节省共电池的电量,通常设备不工作时,都希望低压差线性稳压器工作于睡眠状态,为此,要求线性稳压器具有使能控制端。
有单组蓄电池供电的多路输出且具有通断控制功能的供电系统如图3-1(d)所示。

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图3-1:低压差线性稳压器(LDO)典型应用

04、DC-DC

应当可以这样理解:DC-DC的意思是直流变(到)直流,即不同直流电源值的转换,只要符合这个定义都可以叫DCDC转换器,包括LDO。
但是一般的说法是把直流变(到)直流由开关方式实现的器件叫DCDC。
DC-DC转换器包括升压、降压、升/降压和反相等电路,DC-DC转换器的优点是效率高、可以输出大电流、静态电流小。
随着集成度的提高,许多新型DC-DC转换器仅需要几只外接电感器和滤波电容器。
但是,这类电源控制器的输出脉动和开关噪音较大、成本相对较高,近几年来,随着半导体技术的发展,表面贴装的电感器、电容器、以及高集成度的电源控制芯片的成本不断降低,体积越来越小。
由于出现了导通电阻很小的MOSFET可以输出很大功率,因而不需要外部的大功率FET。
例如对于3V的输入电压,利用芯片上的NFET可以得到5V/2A的输出,其次,对于中小功率的应用,可以使用成本低小型封装。
另外,如果开关频率提高到1MHz,还能够降低成本、可以使用尺寸较小的电感器和电容器。
有些新器件还增加许多新功能,如软启动、限流、PFM或者PWM方式选择等。
总的来说,升压是一定要选DCDC的,降压,是选择DCDC还是LDO,要在成本、效率、噪声和性能上比较。

05、LDO与DC/DC对比

首先从效率上说,DC/DC的效率普遍要远高于LDO,这是其工作原理决定的。
其次,DC/DC有Boost、Buck、Boost/Buck,有人把ChargePump也归为此类,而LDO只有降压型。
再次,也是很重要的一点,DC/DC因为其开关频率的原因导致其电源噪声很大,远比LDO大的多,大家可以关注PSRR这个参数。
所以当考虑到,比较敏感的模拟电路时候,有可能就要牺牲效率为保证电源的纯净而选择LDO。
还有,通常LDO所需要的外围器件简单占面积小,而DC/DC一般都会要求电感,二极管,大电容,有的还会要MOSFET。
特别是Boost电路,需要考虑电感的最大工作电流,二极管的反向恢复时间,大电容的ESR等等,所以从外围器件的选择来说比LDO复杂,而且占面积也相应的会大很多。



THE END
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