面試常問:LDO和DC/DC

LDO低壓差線性穩(wěn)壓器，顧名思義為線性的穩(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(dòng)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(jiǎn)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?a target="_blank">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(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(huì)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(duì)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(duì)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(jiǎn)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(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管不需要基極電流驅(qū)動(dòng)，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(chǎng)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(huì)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。

01LDO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(chǎng)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

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(dòng)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(dòng)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

(2-1)

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(duì)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(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(hào)的存在，PSRR反映了LDO對(duì)于這些干擾信號(hào)的抑制能力。

03LDO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?/p>

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(duì)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(huì)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

04直流-直流

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(dòng)和開關(guān)噪音較大、成本相對(duì)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(duì)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(duì)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(dòng)、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。

05LDO與DC/DC對(duì)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(jiǎn)單占面積小，而DC/DC一般都會(huì)要求電感，二極管，大電容，有的還會(huì)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(huì)大很多。

　　審核編輯：湯梓紅