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最新消息| icspec|一文看懂DC-DC和LDO的原理和區別 | 2022-07-12 |
| 文章来源：由「百度新聞」平台非商業用途取用"https://www.163.com/dy/article/H2M0ULCE0538R80O.html" 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。DCDC：直流電壓轉直流電壓，嚴格來講，LDO也是DCDC的一種，但目前DCDC多指開關電源，具有很多種拓樸結構，如BUCK，BOOST等。優點：效率高，輸入電壓范圍較寬。缺點：負載響應比LDO差，輸出紋波比LDO大。那么，DCDC和LDO的區別是什麼？DCDC轉換器一般由控制芯片，電桿線圈，二極管，三極管，電容構成，DCDC轉換器為轉變輸入電壓后有效輸出固定電壓的電壓轉換器。DCDC轉換器分為三類：升壓型DCDC轉換器、降壓型DCDC轉換器以及升降壓型DCDC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；PWMPFM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、數碼相機、便攜式媒體播放器等產品中。DC-DC簡述原理其實內部是先把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，所以外面需要電感等分立元件。然后在輸出端再通過積分濾波，又回到DC電源，由于產生AC電源，所以可以很輕松的進行升壓跟降壓。兩次轉換，必然會產生損耗，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)、Boostbuck(升降壓)和反相結構，具有高效率、高輸出電流、低靜態電流等特點，隨著集成度的提高，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態電流，它的外圍器件也很少，通常只有一兩個旁路電容，新型LDO可達到以下指標：30μV輸出噪聲、60dBPSRR、6μA靜態電流及100mV的壓差。LDO簡述原理線性穩壓器能夠實現這些特性的主要原因在于內部調整管采用了P溝道場效應管，而不是通常線性穩壓器中的PNP晶體管。P溝道的場效應管不需要基極電流驅動，所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晶體管進入飽和狀態降低輸出能力，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致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。所以在將鋰離子電池電壓轉換為3V電壓的應用中大多選用LDO，盡管電池最后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。便攜電子設備不管是由交流市電經過整流(或交流適配器)后供電，還是由蓄電池組供電，工作過程中，電源電壓都將在很大范圍內變化。比如單體鋰離子電池充足電時的電壓為4.2V，放完電后的電壓為2.3V，變化范圍很大。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，幾乎所有的電子設備都采用穩壓器供電。小型精密電子設備還要求電源非常干凈，要無紋波、無噪聲，以免影響電子設備正常工作。為了滿足精密電子設備的要求，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現有源噪聲濾波。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晶體管，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。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，兩者的差值經放大器A放大后，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，從而穩定輸出電壓。當輸出電壓Uout降低時，基準電壓Uref與取樣電壓Uin的差值增加，比較放大器輸出的驅動電流增加，串聯調整管壓降減小，從而使輸出電壓升高。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，從而使輸出電壓降低。供電過程中，輸出電壓校正連續進行，調整時間只受比較放大器和輸出晶體管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。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，也是電子設備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方便，而且由于輸出電壓是經過廠家精密調整的，所以穩壓器精度很高。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將影響穩定精度。2．最大輸出電流用電設備的功率不同，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，在多只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適當的穩壓器。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，只要輸入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態電流，但是采用PNP晶體管作串聯調整管元件時，這種習慣叫法是不正確的，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抑制負載干擾的能力越強。圖2-1OutputVoltageOutputCurrent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—負載電流分別為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。圖2-2OutputVoltageInputVoltage式中：△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的輸入源往往有著許多干擾信號的存在，PSRR反映了LDO對于這些干擾信號的抑制能力。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ACDC電源，交流電源電壓經變壓器后，變換成所需要的電壓，該電壓經整流后變為直流電壓。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，消除電源產生的交流噪聲。各種蓄電池的工作電壓都在一定范圍內變化，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，因此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，因此在蓄電池接近放電完畢時，仍可保證輸出電壓穩定。眾所周知，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，特別是對模擬電路供電時，將產生較大的影響。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，就可以實現有源濾波，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，比如無線電通信設備通常只有一足電池供電，但各部分電路常常采用互相隔離的不同電壓，因此必須由多只穩壓器供電。為了節省共電池的電量，通常設備不工作時，都希望低壓差線性穩壓器工作于睡眠狀態，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。圖3-1低壓差線性穩壓器(LDO)典型應用DC-DC應當可以這樣理解DC-DC的意思是直流變（到）直流，即不同直流電源值的轉換，只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）直流由開關方式實現的器件叫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、靜態電流小。隨著集成度的提高，許多新型DC-DC轉換器僅需要幾只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，隨著半導體技術的發展，表面貼裝的電感器、電容器、以及高集成度的電源控制芯片的成本不斷降低，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，利用芯片上的NFET可以得到5V2A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。LDO與DCDC對比首先從效率上說，DCDC的效率普遍要遠高于LDO，這是其工作原理決定的。其次，DCDC有Boost、Buck、BoostBuck，有人把ChargePump也歸為此類，而LDO只有降壓型。再次，也是很重要的一點，DCDC因為其開關頻率的原因導致其電源噪聲很大，遠比LDO大的多，大家可以關注PSRR這個參數。所以當考慮到，比較敏感的模擬電路時候，有可能就要犧牲效率為保證電源的純凈而選擇LDO。還有，通常LDO所需要的外圍器件簡單占面積小，而DCDC一般都會要求電感，二極管，大電容，有的還會要MOSFET。特別是Boost電路，需要考慮電感的最大工作電流，二極管的反向恢復時間，大電容的ESR等等，所以從外圍器件的選擇來說比LDO復雜，而且占面積也相應的會大很多。 關鍵字標籤：dc power supply usage |
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