LDO和DCDC原理讲解.docx
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LDO和DCDC原理讲解.docx
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LDO和DCDC原理讲解
DC/DC和LDO的区别
LDO:
LOWDROPOUTVOLTAGE
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,目前最大的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。
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。
LDO是lowdropoutvoltageregulator的缩写,整流器.
DC-DC,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。
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。
LDO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。
什么是LDO
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[1]。
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、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相比较,两者的差值经放大器A放大后,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,基准电压与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(MaximumOutputCurrent)
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(DropoutVoltage)
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(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
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(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
Boost
Boost电路是一种开关直流升压电路,它能够使输出电压高于输入电压。
在电子电路设计当中算是一种较为常见的电路设计方式。
本篇文章针对新手,将为大家介绍Boost升压电路的工作原理。
首先我们需要知道:
电容阻碍电压变化,通高频,阻低频,通交流,阻直流;
电感阻碍电流变化,通低频,阻高频,通直流,阻交流;
假定那个开关(三极管或者MOS管)已经断开了很长时间,所有的元件都处于理想状态,电容电压等于输入电压。
下面要分充电和放电两个部分来说明这个电路。
充电过程
在充电过程中,开关闭合(三极管导通),等效电路如图2,开关(三极管)处用导线代替。
这时,输入电压流过电感。
二极管防止电容对地放电。
由于输入是直流电,所以电感上的电流以一定的比率线性增加,这个比率跟电感大小有关。
随着电感电流增加,电感里储存了一些能量。
放电过程
如图3这是当开关断开(三极管截止)时的等效电路。
当开关断开(三极管截止)时,由于电感的电流保持特性,流经电感的电流不会马上变为0,而是缓慢的由充电完毕时的值变为0。
而原来的电路已断开,于是电感只能通过新电路放电,即电感开始给电容充电,电容两端电压升高,此时电压已经高于输入电压了。
升压完毕。
说起来升压过程就是一个电感的能量传递过程。
充电时,电感吸收能量,放电时电感放出能量。
如果电容量足够大,那么在输出端就可以在放电过程中保持一个持续的电流。
如果这个通断的过程不断重复,就可以在电容两端得到高于输入电压的电压。
boost电路升压过程
下面是一些补充。
AA电压低,反激升压电路制约功率和效率的瓶颈在开关管,整流管,及其他损耗(含电感上)。
电感不能用磁体太小的(无法存应有的能量),线径太细的(脉冲电流大,会有线损大)。
整流管大都用肖特基,大家一样,无特色,在输出3.3V时,整流损耗约百分之十。
开关管,关键在这儿了,放大量要足够进饱和,导通压降一定要小,是成功的关键。
总共才一伏,管子上耗多了就没电出来了,因些管压降应选最大电流时不超过0.2--0.3V,单只做不到就多只并联。
最大电流有多大呢?
简单点就算1A吧,其实不止。
由于效率低会超过1.5A,这是平均值,半周供电时为3A,实际电流波形为0至6A。
所以建议要用两只号称5A实际3A的管子并起来才能勉强对付。
现成的芯片都没有集成上述那么大电流的管子,所以建议用土电路就够对付洋电路了。
这些补充内容是教科书本上没有的知识,但是能够与教科书本上的内容进行对照并印证。
开关管导通时,电源经由电感-开关管形成回路,电流在电感中转化为磁能贮存;开关管关断时,电感中的磁能转化为电能在电感端左负右正,此电压叠加在电源正端,经由二极管-负载形成回路,完成升压功能。
既然如此,提高转换效率就要从三个方面着手:
尽可能降低开关管导通时回路的阻抗,使电能尽可能多的转化为磁能;尽可能降低负载回路的阻抗,使磁能尽可能多的转化为电能,同时回路的损耗最低;尽可能降低控制电路的消耗,因为对于转换来说,控制电路的消耗某种意义上是浪费掉的,不能转化为负载上的能量。
boost电路升压过程
下面是一些补充。
AA电压低,反激升压电路制约功率和效率的瓶颈在开关管,整流管,及其他损耗(含电感上)。
电感不能用磁体太小的(无法存应有的能量),线径太细的(脉冲电流大,会有线损大)。
整流管大都用肖特基,大家一样,无特色,在输出3.3V时,整流损耗约百分之十。
开关管,关键在这儿了,放大量要足够进饱和,导通压降一定要小,是成功的关键。
总共才一伏,管子上耗多了就没电出来了,因些管压降应选最大电流时不超过0.2--0.3V,单只做不到就多只并联。
最大电流有多大呢?
简单点就算1A吧,其实不止。
由于效率低会超过1.5A,这是平均值,半周供电时为3A,实际电流波形为0至6A。
所以建议要用两只号称5A实际3A的管子并起来才能勉强对付。
现成的芯片都没有集成上述那么大电流的管子,所以建议用土电路就够对付洋电路了。
这些补充内容是教科书本上没有的知识,但是能够与教科书本上的内容进行对照并印证。
开关管导通时,电源经由电感-开关管形成回路,电流在电感中转化为磁能贮存;开关管关断时,电感中的磁能转化为电能在电感端左负右正,此电压叠加在电源正端,经由二极管-负载形成回路,完成升压功能。
既然如此,提高转换效率就要从三个方面着手:
尽可能降低开关管导通时回路的阻抗,使电能尽可能多的转化为磁能;尽可能降低负载回路的阻抗,使磁能尽可能多的转化为电能,同时回路的损耗最低;尽可能降低控制电路的消耗,因为对于转换来说,控制电路的消耗某种意义上是浪费掉的,不能转化为负载上的能量。
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