Explain the principle and difference between DC-DC and LDO
Time:2022-03-28
Views:2261
LDO：
低壓差線性穩(wěn)壓器，故名思意為線性的穩(wěn)壓器，僅能使用在降壓應(yīng)用中，也就是輸出電壓必需小于輸入電壓。
優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定性好，負(fù)載響應(yīng)快，輸出紋波小。
缺點(diǎn)： 效率低，輸入輸出的電壓差不能太大，負(fù)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(zhuǎn)直流電壓，嚴(yán)格來講，LDO也是DC/DC的一種，但目前DC/DC多指開關(guān)電源，具有很多種拓樸結(jié)構(gòu)，如BUCK，BOOST等。
優(yōu)點(diǎn)： 效率高，輸入電壓范圍較寬。
缺點(diǎn)： 負(fù)載響應(yīng)比LDO差，輸出紋波比LDO大。
那么，DC/DC和LDO的區(qū)別是什么？
DC/DC轉(zhuǎn)換器一般由控制芯片，電桿線圈，二極管，三極管，電容構(gòu)成， DC/DC轉(zhuǎn)換器為轉(zhuǎn)變輸入電壓后有效輸出固定電壓的電壓轉(zhuǎn)換器。DC/DC轉(zhuǎn)換器分為三類： 升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器、降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器以及升降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器。
根據(jù)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(shí)間使用，尤其小負(fù)載時(shí)具有耗電小的優(yōu)點(diǎn)；
PWM/PFM轉(zhuǎn)換型小負(fù)載時(shí)實(shí)行PFM控制，且在重負(fù)載時(shí)自動轉(zhuǎn)換到PWM控制。
目前DC-DC轉(zhuǎn)換器廣泛應(yīng)用于手機(jī)、MP3、數(shù)碼相機(jī)、便攜式媒體播放器等產(chǎn)品中。
DC-DC簡述原理
其實(shí)內(nèi)部是先把DC直流電源轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟婋娫碅C，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(chǎn)生AC電源，所以可以很輕松的進(jìn)行升壓跟降壓。 兩次轉(zhuǎn)換，必然會產(chǎn)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(jié)構(gòu)，具有高效率、高輸出電流、低靜態(tài)電流等特點(diǎn)，隨著集成度的提高，許多新型DC-DC轉(zhuǎn)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(guān)噪聲較大、成本相對較高。
LDO低壓差線性穩(wěn)壓器的突出優(yōu)點(diǎn)是具有最低的成本，最低的噪聲和最低的靜態(tài)電流，它的外圍器件也很少，通常只有一兩個(gè)旁路電容，新型LDO可達(dá)到以下指標(biāo)：30μV輸出噪聲、60dBPSRR、6μA靜態(tài)電流及100mV的壓差。
LDO簡述原理
線性穩(wěn)壓器能夠?qū)崿F(xiàn)這些特性的主要原因在于內(nèi)部調(diào)整管采用了P溝道場效應(yīng)管，而不是通常線性穩(wěn)壓器中的PNP晶體管。P溝道的場效應(yīng)管不需要基極電流驅(qū)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(jié)構(gòu)中，為了防止PNP晶體管進(jìn)入飽和狀態(tài)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(yīng)管的壓差大致等于輸出電流與其導(dǎo)通電阻的乘積，極小的導(dǎo)通電阻使其壓差非常低。
當(dāng)系統(tǒng)中輸入電壓和輸出電壓接近的時(shí)候，LDO是最好的選擇，可達(dá)到很高的效率。 所以在將鋰離子電池電壓轉(zhuǎn)換為3V電壓的應(yīng)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(jié)構(gòu)中提供較長的電池壽命。
便攜電子設(shè)備不管是由交流市電經(jīng)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(nèi)變化。 比如單體鋰離子電池充足電時(shí)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(fù)載變化的影響， 為了保證供電電壓穩(wěn)定不變，幾乎所有的電子設(shè)備都采用穩(wěn)壓器供電。 小型精密電子設(shè)備還要求電源非常干凈，要無紋波、無噪聲，以免影響電子設(shè)備正常工作。 為了滿足精密電子設(shè)備的要求，應(yīng)在電源的輸入端加入線性穩(wěn)壓器，以保證電源電壓恒定和實(shí)現(xiàn)有源噪聲濾波。
01 LDO的基本原理
低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)的基本電路如圖1-1所示，該電路由串聯(lián)調(diào)整管VT（PNP晶體管，注：實(shí)際應(yīng)用中，此處常用的是P溝道場效應(yīng)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(wěn)壓器基本電路
02 低壓差線性穩(wěn)壓器的主要參數(shù)
1．輸出電壓
2．最大輸出電流
3．輸入輸出電壓差
4．接地電流
5．負(fù)載調(diào)整率
6．線性調(diào)整率
圖1-1低壓差線性穩(wěn)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(zhǔn)電壓Uref（Uout*R2/（R1+R2））相比較， 兩者的差值經(jīng)放大器A放大后，Uout=(U+-U-)*A注A為比較放大器的倍數(shù)，控制串聯(lián)調(diào)整管的壓降，從而穩(wěn)定輸出電壓。 當(dāng)輸出電壓Uout降低時(shí)，基準(zhǔn)電壓Uref與取樣電壓Uin的差值增加，比較放大器輸出的驅(qū)動電流增加，串聯(lián)調(diào)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(shè)定值，比較放大器輸出的前驅(qū)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(xù)進(jìn)行，調(diào)整時(shí)間只受比較放大器和輸出晶體管回路反應(yīng)速度的限制。 應(yīng)當(dāng)說明，實(shí)際的線性穩(wěn)壓器還應(yīng)當(dāng)具有許多其它的功能，比如負(fù)載短路保護(hù)、過壓關(guān)斷、過熱關(guān)斷、反接保護(hù)等，而且串聯(lián)調(diào)整管也可以采用MOSFET。
02 低壓差線性穩(wěn)壓器的主要參數(shù)
1．輸出電壓
輸出電壓是低壓差線性穩(wěn)壓器最重要的參數(shù)，也是電子設(shè)備設(shè)計(jì)者選用穩(wěn)壓器時(shí)首先應(yīng)考慮的參數(shù)。 低壓差線性穩(wěn)壓器有固定輸出電壓和可調(diào)輸出電壓兩種類型，固定輸出電壓穩(wěn)壓器使用比較方便，而且由于輸出電壓是經(jīng)過廠家精密調(diào)整的，所以穩(wěn)壓器精度很高。 但是其設(shè)定的輸出電壓數(shù)值均為常用電壓值，不可能滿足所有的應(yīng)用要求，但是外接元件數(shù)值的變化將影響穩(wěn)定精度。
2．最大輸出電流
用電設(shè)備的功率不同，要求穩(wěn)壓器輸出的最大電流也不相同，通常，輸出電流越大的穩(wěn)壓器成本越高。 為了降低成本，在多只穩(wěn)壓器組成的供電系統(tǒng)中，應(yīng)根據(jù)各部分所需的電流值選擇適當(dāng)?shù)姆€(wěn)壓器。
3．輸入輸出電壓差
輸入輸出電壓差是低壓差線性穩(wěn)壓器最重要的參數(shù)，在保證輸出電壓穩(wěn)定的條件下，該電壓壓差越低，線性穩(wěn)壓器的性能就越好。 比如，5.0V的低壓差線性穩(wěn)壓器，只要輸入5.5V電壓，就能使輸出電壓穩(wěn)定在5.0V。
4．接地電流
接地電路IGND是指串聯(lián)調(diào)整管輸出電流為零時(shí)，輸入電源提供的穩(wěn)壓器工作電流。 該電流有時(shí)也稱為靜態(tài)電流，但是采用PNP晶體管作串聯(lián)調(diào)整管元件時(shí)，這種習(xí)慣叫法是不正確的，通常較理想的低壓差穩(wěn)壓器的接地電流很小。
5．負(fù)載調(diào)整率
負(fù)載調(diào)整率可以通過圖2-1和式2-1來定義，LDO的負(fù)載調(diào)整率越小，說明LDO抑制負(fù)載干擾的能力越強(qiáng)。
圖2-1OutputVoltage&OutputCurrent式中：
△Vload—負(fù)載調(diào)整率；
Imax—LDO最大輸出電流；
Vt—輸出電流為Imax時(shí)，LDO的輸出電壓；
Vo—輸出電流為0.1mA時(shí)，LDO的輸出電壓；
△V—負(fù)載電流分別為0.1mA和Imax時(shí)的輸出電壓之差。
6．線性調(diào)整率
線性調(diào)整率可以通過圖2-2和式2-2來定義，LDO的線性調(diào)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。
7．電源抑制比
03 LDO的典型應(yīng)用
04 DC-DC 應(yīng)當(dāng)可以這樣理解
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
圖2-2OutputVoltage&InputVoltage
式中：
△Vline—LDO線性調(diào)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(yīng)用
低壓差線性穩(wěn)壓器的典型應(yīng)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(jīng)變壓器后，變換成所需要的電壓，該電壓經(jīng)整流后變?yōu)橹绷麟妷骸?在該電路中，低壓差線性穩(wěn)壓器的作用是：在交流電源電壓或負(fù)載變化時(shí)穩(wěn)定輸出電壓，抑制紋波電壓，消除電源產(chǎn)生的交流噪聲。
各種蓄電池的工作電壓都在一定范圍內(nèi)變化，為了保證蓄電池組輸出恒定電壓，通常都應(yīng)當(dāng)在電池組輸出端接入低壓差線性穩(wěn)壓器，如圖3-1(b)所示。
低壓差線性穩(wěn)壓器的功率較低，因此可以延長蓄電池的使用壽命， 同時(shí)，由于低壓差線性穩(wěn)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(shí)，仍可保證輸出電壓穩(wěn)定。 眾所周知，開關(guān)性穩(wěn)壓電源的效率很高，但輸出紋波電壓較高，噪聲較大，電壓調(diào)整率等性能也較差，特別是對模擬電路供電時(shí)，將產(chǎn)生較大的影響。
在開關(guān)性穩(wěn)壓器輸出端接入低壓差線性穩(wěn)壓器，如圖3-1(c)所示，就可以實(shí)現(xiàn)有源濾波，而且也可大大提高輸出電壓的穩(wěn)壓精度，同時(shí)電源系統(tǒng)的效率也不會明顯降低。
在某些應(yīng)用中，比如無線電通信設(shè)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(wěn)壓器供電。 為了節(jié)省共電池的電量，通常設(shè)備不工作時(shí)，都希望低壓差線性穩(wěn)壓器工作于睡眠狀態(tài)，為此，要求線性穩(wěn)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(tǒng)如圖3-1(d)所示。
圖3-1低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)典型應(yīng)用
圖3-1低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)典型應(yīng)用
04 DC-DC 應(yīng)當(dāng)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(zhuǎn)換，只要符合這個(gè)定義都可以叫DCDC轉(zhuǎn)換器，包括LDO。 但是一般的說法是把直流變（到）直流由開關(guān)方式實(shí)現(xiàn)的器件叫DCDC。DC-DC轉(zhuǎn)換器包括升壓、降壓、升/降壓和反相等電路，DC-DC轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)是效率高、可以輸出大電流、靜態(tài)電流小。 隨著集成度的提高，許多新型DC-DC轉(zhuǎn)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(guān)噪音較大、成本相對較高，近幾年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)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(xiàn)了導(dǎo)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(yīng)用，可以使用成本低小型封裝。 另外，如果開關(guān)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(yuǎn)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(diǎn)，DC/DC因?yàn)槠溟_關(guān)頻率的原因?qū)е缕潆娫丛肼暫艽?，遠(yuǎn)比LDO大的多，大家可以關(guān)注PSRR這個(gè)參數(shù)。 所以當(dāng)考慮到，比較敏感的模擬電路時(shí)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(fù)時(shí)間，大電容的ESR等等，所以從外圍器件的選擇來說比LDO復(fù)雜，而且占面積也相應(yīng)的會大很多。
|
Disclaimer: This article is transferred from other platforms and does not represent the views and positions of this site. If there is infringement or objection, please contact us to delete. thank you! |
Business consulting
13823761625
Mail me