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        講透DC-DC與LDO的原理和區別
        文章來源:永阜康科技 更新時間:2022/3/21 14:47:00
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        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,輸入電壓范圍較寬。
        缺點: 負載響應比LDO差,輸出紋波比LDO大。

        那么,DC/DC和LDO的區別是什么?

        DC/DC轉換器一般由控制芯片,電桿線圈,二極管,三極管,電容構成, DC/DC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。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)、Boost/buck(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。

        01 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。

        02 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2-1OutputVoltage&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2-2OutputVoltage&InputVoltage


         (2-2)

        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。 

        03 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 

        04 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。

        05 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只有降壓型。

        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DC/DC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。

         
         
         
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