KA_IX

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什么时候选择DC/DC,什么时候选择LDO呢?

2020-5-20 11:59:16 显示全部楼层
本帖最后由 KA_IX 于 2020-5-20 12:00 编辑

        在设计PCB的时候选取正确的电源对整个系统设计至关重要,一个电源的好坏关系到整个系统是否能正常运行,当然,选择电源也要考虑很多指标,比如电源的输出电压范围,电源的纹波,效率如何是否需要散热等等,都是需要考虑的点,那么什么时候选择DC/DC什么时候选择LDO呢?来看分析:

        一、简单的来说,在升压场合,当然只能用DC/DC,因为LDO是压降型,不能升压。

        LDO的选择
        当所设计的电路对分路电源有以下要求
        1. 高的噪音和纹波抑制;
        2. 占用PCB板面积小,如手机等手持电子产品;
        3. 电路电源不允许使用电感器,如手机;
        4. 电源需要具有瞬时校准和输出状态自检功能;
        5. 要求稳压器低压降,自身功耗低;
        6. 要求线路成本低和方案简单;
        此时,选用LDO是最恰当的选择,同时满足产品设计的各种要求。

        二、再者,需要看下各自的主要特点:

        DC/DC:效率高,噪声大;好处就是转换效率高,可以大电流,但输出干扰较大,体积也相对较大。
        LDO:噪声低,静态电流小;体积小,干扰较小,当输入与输出电压差较大的化,转换效率低.

        所以如果是用在压降比较大的情况下,选择DC/DC,因为其效率高,而LDO会因为压降大而自身损耗很大部分效率;
        如果压降比较小,选择LDO,因为其噪声低,电源干净,而且外围电路简单,成本低。
        LDO是low dropout regulator,意为低压差线性稳压器,是相对于传统的线性稳压器来说的。传统的线性稳压器,如78xx系列的芯片都要求输入电压要比输出电压高出2v~3V以上,否则就不能正常工作。但是在一些情况下,这样的条件显然是太苛刻了,如5v转3.3v,输入与输出的压差只有1.7v,显然是不满足条件的。针对这种情况,才有了LDO类的电源转换芯片。

        LDO线性降压芯片:原理相当于一个电阻分压来实现降压,能量损耗大,降下的电压转化成了热量,降压的压差和负载电流越大,芯片发热越明显。这类芯片的封装比较大,便于散热。
        LDO线性降压芯片如:2596,L78系列等。

        DC/DC降压芯片:在降压过程中能量损耗比较小,芯片发热不明显。芯片封装比较小,能实现PWM数字控制。
        DC/DC降压芯片如:TPS5430/31,TPS75003,MAX1599/61,TPS61040/41

        总的来说,进行PCB设计时,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。关键是具体应用具体分析。




差线性稳压器与DC/DC转换器的对比   

        LDO(Low Dropout Regulater)即低压差线性稳压器,为什么叫低压差呢?因为其允许的输入输出之间的电压差可以很小。相对于传统的线性稳压器而言,如78XX系列的芯片,都要求输入输出间的压差不能小于2V,否则不能正常工作,这样的要求有的时候难为了一些需求。如我们常见的5V转3.3V,之间的压差只有1.7V,那么78XX系列的稳压器就不太适合,所以低压差的线性稳压器就随之产生了。

        严格意义上来说,只要进行直流变直流的我们都称之为DC-DC。但一般我们会认为直流变直流,由开关方式的这类,我们称为DC-DC,当然不必纠结这些细节了,当你实际使用的时候,自然会有取舍,不可能杀猪用牛刀。

        接下来,我们先来简单的了解下有关LDO的基本原理,再对LDO和DC-DC做一个简单的比较。


        2、LDO的基本原理

        LDO的基本电路由串联调整管VT、取样电阻R1和R2、以及比较器A组成,电路图如下所示

       


        取样电压加在比较器A的同相输入端,与加在反向输入端的基准电压Uref相比较,两者的差值经过放大器A放大之后,控制串联的调整管VT的压降,从而稳定输出电压。当输出电压Uout降低时,基准电压和取样电压的差值增加,比较放大器输出的驱动电流增加,串联调整管压降相应减小,从而使输出电压升高。相反,如果输出电压Uout超过所需要的设定值,比较放大器输出的驱动电流减小,调整管压降相应增大,从而使输出电压降低。工作过程中,输出电压校正是连续进行的,调整的时间只受比较器和输出晶体管回路反应速度的限制。

        当然,上面的电路图只是为了方便讲解的一个简化图,实际的线性稳压器还会具有许多其他的功能,比如负载短路保护、过压保护、反接保护、过温保护等,要是需要满足更低的压差,调整管VT也可以选择更优的器件,如MOSFET。


        3、基本参数

        ①输出电压
        输出电压是LDO最重要的参数,也是进行选型时首先考虑的因素。LDO有固定输出电压和可调输出电压两种类型。固定电压输出的使用起来比较方便,而且由于电压是经过生产厂家精密调整的,所以精度很高。但是由于输出电压是固定的,所以使用起来有局限性,而且外接元器件的变化会影响稳定的精度。

        ②最大输出电流
        用电设备的功率不尽相同,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,所以选型时,为了成本考虑,需要进行比较适合的选择。

        ③输入输出电压差
        输入输出电压差也是比较重要的参数。在保证输出电压稳定的前提下,改电压压差越小,稳压器的性能会越好,损耗也会较小。

        ④负载调整率
        LDO的负载调整率越小,说明LDO抑制负载干扰的能力越强。
        下面是输出电压和输出电流的关系曲线

       


        负载调整率

        ◬Vload=◬V/(Vo*Imax)*100%

        其中,
  •                 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

        ⑤线性调整率

        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的性能也就越好。

        下图是输出电压和输入电压的关系曲线

       


        线性调整率

        ◬Vline=◬V/(Vo*(Vmax-Vo))*100%

        其中,
  •                 Vo——LDO名义输出电压
  •                 Vmax——LDO最大输入电压
  •                 ◬V——LDO输入Vo到Vmax输出电压最大值和最小值之差

        ⑥电源抑制比(PSRR)

        LDO的输入源往往有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。PSRR的值越高,LDO输出纹波会越低。
        PSRR=20log(VEin/VEout)
        其中,
        VEin和VEout分别是在受到外来信号影响时,输入和输出电压。

        4、LDO VS. DC/DC

        LDO和DC/DC稳压器都有各自的优点,前面我们提到的DC-DC电路有Buck和Boost两种基本的类型,即降压和升压,而LDO只能用于降压的情况下。
        我们简单地从下面的几个方面进行一个比较,来说明该如何抉择:

        ㈠效率
        如果输入电压和输出电压很接近,以效率比较,建议选用LDO。
        LDO的效率与输入和输出电压之间的差值成正比; 差异越小,设备的效率越高。

        如果输入和输出电压之间的差值比较大,建议使用DC/DC稳压器。
        ①LDO的输入电流基本上是接近输出电流的,如果压降差值太大,耗在LDO上能量太大,效率反而不高。
        ②DC/DC稳压器的优点是效率高、可以输出大电流、静态电流小。

        ㈡输出电压
        DC/DC 稳压器有不同类型,支持不同设计电路,如升压、降压、升降压等输出。可是LDO只能提供降压转换。在要求Vo电压高于Vin电压,或需要来自正Vin电压的负Vo电压的应用中,LDO显然并不适用。

        ㈢电源噪声
        随着芯片集成度的提高,许多新型DC/DC稳压器仅需要几个外接电感器和滤波电容器。但是,相比LDO,这类电源控制器的输出脉动和开关噪声较大、成本相对较高。我们也可以从芯片的PSRR数值来估算输出信号受到多少外來信号影响。

        此外,对于噪声敏感的应用,例如通信和无线电设备,电源噪声小非常关键。LDO具有非常低的输出电压纹波,因为LDO的设计不需要经常打开和关闭,而且一般都具有非常高的带宽,因此几乎没有EMI问题。

        ㈣占板面积
        通常LDO所需要的外围的元器件很少,比较简单。

        DC/DC稳压器一般由控制芯片、电杆线圈、二极管、三极管、电容构成,有的更需要MOSFET,特别是Boost电路。此外,DC/DC稳压器在设计上也需要考虑电感的最大工作电流、电容的ESR等。所以从外围器件的选择来说,DC/DC稳压器比LDO复杂,整个电路系统占用电路板的面积也相对较多。

        总之,需要根据实际的应用情况进行合理合适的选择,这才是设计的美妙之处



来源:网络


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