差线性稳压器与DC/DC转换器的对比

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1、前言
 
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
 
1
 
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
 
2
 
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
 
3
 
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
 
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