DC–DC和LDO的原理和区别

Posted 2022-03-23 国民技术MCU

1. LDO：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，LDO输出电流较小，目前最大的LDO为5A，但要保证5A的输出还有很多的限制条件。

2. 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。

3. LDO与DC/DC区别对比

• 效率：首先从效率上说，DC/DC的效率普遍要远高于LDO，具有高效率、高输出电流、低静态电流等特点，这是其工作原理决定的。

• 类型：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。

• 噪声：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。

• 外围电路：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，需要考虑电感的最大工作电流，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，成本相对较高

4. DC/DC简述

• 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。

5. DC-DC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：

• 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。

• LDO低压差线性稳压器的突出优点是具有最低的成本，最低的噪声和最低的静态电流，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。

6. LDO简述

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的时候，LDO是最好的选择，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，尽管电池最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，还会受负载变化的影响，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，要无纹波、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。

7. LDO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為比較放大器的倍数，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。

8. 低压差线性稳压器的主要参数

1．输出电压

输出电压是低压差线性稳压器最重要的参数，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．最大输出电流

用电设备的功率不同，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。

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

输入输出电压差是低压差线性稳压器最重要的参数，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

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

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

式中：

△Vload—负载调整率；

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。

9. 线性调整率

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。

式中：

△Vline—LDO线性调整率；

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。

7．电源抑制比

LDO的输入源往往有着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。

10. 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)所示电路是一种最常见的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3-1©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。

11. DC-DC

应当可以这样理解：DC-DC的意思是直流变（到）直流，即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。
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12. LDO与DC/DC对比

效率：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。

类型：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。

噪声：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。

外围电路：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，需要考虑电感的最大工作电流，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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