從效率中談電源LDO和DC的選用原則

隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，電力電子設備與人們的工作、生活的關系日益密切，而電子設備都離不開可靠的電源，進入 80 年代計算機電源全面實現(xiàn)了開關電源化，率先完成計算機的電源換代，進入 90 年代開關電源相繼進入各種電子、電器設備領域，程控交換機、通訊、電子檢測設備電源、控制設備電源等都已廣泛地使用了開關電源，更促進了開關電源技術(shù)的迅速發(fā)展。

開關電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點上，反而高于開關電源。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關電源技術(shù)在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉(zhuǎn)點日益向低輸出電力端移動，這為開關電源提供了廣泛的發(fā)展空間。

1、線性穩(wěn)壓器，所謂線性穩(wěn)壓器，也就是我們俗話說的 LDO。其特點是傳輸元件工作在線性區(qū)，它沒有開關的跳變；僅限于降壓轉(zhuǎn)換，很少會看到升壓的應用。

2、開關穩(wěn)壓器,即重復切換“開”和“關”狀態(tài)，與能量存貯部件（電容器和感應器）一起產(chǎn)生輸出電壓。它的調(diào)整是通過根據(jù)輸出電壓的反饋樣本來調(diào)整切換定時來實現(xiàn)的。其特點是傳輸器件開關(場效應管)，在每個周期完全接通和完全切斷的狀態(tài)；里面至少包括一個電能儲能的元件，如：電感器或者電容器；多種拓撲（降壓、升壓、降壓-升壓等）。

3、為什么有些情況要選擇開關穩(wěn)壓器或者為什么不用LDO?

我們知道，所有的能量都不會憑空消失，損耗的能量最終會以熱的形式傳遞出去，這樣，工程師在設計中就會產(chǎn)生很大的挑戰(zhàn)，比如說，損耗最終以熱的形式傳遞，那么電路中就需要增加更大的散熱片，結(jié)果電源的體積就變大了，而且整機的效率也很低。如果在開關模式的開關電源，不僅可以提高效率，還可以降低了熱管理的設計難度。

下面舉一個例子來對比線性電源和開關電源的效率和體積：

A、線性穩(wěn)壓器的效率及功率損耗：

根據(jù)上圖我們可以計算出它的最大輸出效率為：

它的功率損耗為：

B、開關穩(wěn)壓器的效率及功率損耗：

根據(jù)上圖我們可以計算出它的最大輸出效率為：

它的功率損耗為：

從它們的效率來看，一個 12V 輸入，3.3V/2A 輸出的電源，如果用線性穩(wěn)壓器來實現(xiàn)的話，它輸出效率只有 28%，而用開關電源來做的話，它的輸出效率能達到 90%以上。

所以線性電源在高輸入電壓，低輸出電壓的情況下的效率是非常的低，它只適用于一些輸入和輸出的壓差比較低的場合。像這些情況下使用開關電源的優(yōu)勢是顯而易見的。

線性穩(wěn)壓器的損耗為 17.4W，開關穩(wěn)壓器的損耗只有 0.73W，這些損耗最終會以熱量的形式傳遞出去，器件的工作溫度=器件溫升+環(huán)境溫度，溫升=熱阻 × 損耗的情況下：假如器件的熱阻 θ=35℃/W來計算，LDO 的溫升=35℃ ×17.4W=609℃，開關穩(wěn)壓器溫升=35℃ ×0.73W=25.55℃。

可見，開關穩(wěn)壓器可以工作在 60~70℃的環(huán)境溫度也是沒問題的，而 LDO 在這種情況下，發(fā)熱非常嚴重，必須得降低它的熱阻，而熱阻的大小就取決于散熱面積，散熱面積越大，熱阻就越小，所以 LDO 需要很大的散熱面積(如下圖)，來減少它的熱阻以獲得較低的溫升。

上圖紅色標注的地方分別是一個 2.5W 的 LDO 和一個 6W 的開關電源，兩者功率相差 2.4倍，但開關電源的面積僅是 LDO 的 1/3 不到，也就是說開關電源的損耗大大減少了，能夠承受更高的熱阻，減少散熱的面積。

如果說輸入與輸出之間壓差較低的情況下，可以使用 LDO，但壓差較大的情況下，建議使用開關電源。當然，開關電源也有它的劣勢，它的輸出會有噪聲、振鈴、跳變，而 LDO 則不會。某些場合的負載對電源的電壓是很敏感的話，可以在開關電源后面載加一級 LDO。

如我們要把 5V 轉(zhuǎn)為 1.2V ，如果直接有 LDO 的話，效率可能只有 20%，但我們可以把 5V 用開關電源變?yōu)?1.5V，再用 LDO 把 1.5V 轉(zhuǎn)為 1.2V，這樣，效率就會高，是一個比較優(yōu)化的設計。