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小白快速弄懂LDO和DC/DC的区别
点击次数:32 发布时间:2021-03-23

 

LDO:LOW DROPOUT VOLTAGE LDO(是 low dropout voltage regulator 的缩写,整流器),低压差线性稳压器,故名思意,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:


1、DCtoDC 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。
2、LDO:低压差线性稳压器的突出优点是具有 低的成本, 低的噪声和 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时,LDO 是 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(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。

一、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。

 


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 為比較放大器的倍數,)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。

二、低压差线性稳压器的主要参数


1.输出电压(OutputVoltage)
输出电压是低压差线性稳压器重要的参数,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.大输出电流(MaximumOutputCurrent)
用电设备的功率不同,要求稳压器输出的大电流也不相同。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(DropoutVoltage)
输入输出电压差是低压差线性稳压器重要的参数。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(GroundPinCurrent)
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(LoadRegulation)
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。

图 2-1OutputVoltage&OutputCurrent

(2-1)

式中
△Vload—负载调整率
Imax—LDO 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(LineRegulation)
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。

图 2-2OutputVoltage&InputVoltage

(2-2)

式中
△Vline—LDO 线性调整率
Vo—LDO 名义输出电压
Vmax—LDO 大输入电压
△V—LDO 输入 Vo 到 Vmax'输出电压大值和小值之差


7.电源抑制比(PSSR)
LDO 的输入源往往许多干扰信号存在。PSRR 反映了 LDO 对于这些干扰信号的抑制能力。

三、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 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 2-3(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。


图 3-1 低压差线性稳压器(LDO)典型应用


四、DC-DC

应当可以这样理解:DCDC 的意思是直流变(到)直流(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。随著集成度的提高,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,随著半导体技术的发展,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。由於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。

五、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。

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