硬件知识：LDO与DC-DC转换器详解

硬件知识：LDO与DC-DC转换器详解

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/weixin_47973334/article/details/142095606

LDO（低压差线性稳压器）和DC-DC转换器是两种常见的电源管理解决方案，它们在电子设备中扮演着重要角色。本文将详细介绍这两种技术的区别、工作原理、选型要点以及PCB布局布线建议。

LDO与DC-DC区别与选型

LDO

低压差：输出压降比较低，输入3.3V，输出可达到3.2V。

线性：LDO的MOS管工作于线性状态。（可变电阻区）

稳压器：是用来给电源稳压。

LDO由MOS管和三极管控制，区别在于最小压差不一样。LDO内部由4大部件构成：分压取样电路、基准电压、误差放大电路、晶体管调整电路。

流程：通过反馈电阻R1和R2对输出电压进行采集，将采集的电压输入到比较器输入端，与基准电压（期望输出的电压）进行比较，再将比较结果进行放大；放大后的信号控制开关（MOS管或三极管），将Vout调整为设定值。

一般LDO用于电流小于2A的电源电路，其优点是，成本低，电路简单易用，电源纹波小，较稳定，上电快。

LDO PCB布局布线：

1. 电容按先大后小顺序就近摆放；
2. 输入/输出布线路径宽度、换层过孔数量须满足电源电流大小；
3. 输入/输出的GND尽量汇接在一起，保持完整的回流；

DC-DC

DC-DC是一种小型化电源开关模块，一般由控制芯片、电感线圈、二极管、三极管、电容器构成。

BUCK

开关管闭合时，能量一部分储存在电感L中，一部分供给输出；

开关管断开时，L通过二极管为输出端提供能量。

D为PWM波的占空比

以同步BUCK为例

开通时间：

关断时间：

占空比：

电感平均电流：

电感纹波电流：

电感峰值电流:

电感：主要考虑电感量和电感电流（额定电流和饱和电流）。额定电流降额80%是输出电流。饱和电流降额80%是峰值电流

电感取值范围：

电感取值越大，对纹波的衰减作用越强，但占用PCB面积较大，不能灵敏的实现电压的反馈，动态效果差；开关频率越高，则电感和电容的值越小，但电源电路的功耗也越大，不利于EMI的一直。纹波指的是电源波动中的5Mhz以下的低频段，噪声指的是电源波动中5Mhz以上的高频段。为了减少这些纹波和噪声，可增加滤波电容和磁珠。

输入电容目标是减少电源模块输入处的纹波电压。减小纹波电压可以使纹波电流降至大容量电容可以承受的水平。输入电容选型：容值越大，输入电压纹波的抑制效果越好，但同时会增加成本和体积。一般建议容值在几微法到几百微法之间的电容；电容的电压额定值应该大于输入电压的峰值，以避免电容击穿。通常建议选择电容的额定电压为输入电压的1.2倍及以上；输入电容的ESR（等效串联电阻）需要足够小，以便在输入电流瞬变时不引起过大的电压降；陶瓷电容具有更低的等效串联电阻，从而导致相同的纹波电流流过时产生更小的纹波电压。

原理图：

BOOST

当开关管导通的时候，输入的电压对电感充电。当开关管关断时，电感有感应电压，输入的能量和电感能量一起向输出提供能量，此时二极管导通，因此这时候输出的电压会比输入的电压高，从而实现升压。

BUCK-BOOST

DC-DC的PCB设计布局布线

1. DC-DC的功率管脚应大面积铺铜以减少电源的温升；
2. 反馈线不能绕着电感走；
3. 开关电源芯片及其电感下面尽量不要布其它信号线；
4. 二极管续流回路尽可能短；
5. 布局要紧凑，输入输出主干道采用“一”字型或者“L”型布局方式；
6. 输入电容就近放在芯片的Vin和功率的PGND，减少寄生电感的存在。

电源闭环回路的实现

当输入电压或者负载变化时，VOUT是缓慢变化的，这个变化量通过反馈FB检测（R1/R2分压），输入到误差放大器的反向端，与正向端的参考电压进行比较，误差放大器形成一个输出变化量，这个变化量输入到PWM调制器的一段，与斜率补偿形成重新校准的占空比，来控制G级驱动器输出VOUT，实现了系统自动调节，这就是闭环调节原理。

电源纹波产生、抑制方法、测量

测量： 探头尽量使用X1档位，通道耦合方式用交流耦合、带宽限制20M低通、用接地弹簧针使接地线尽量短。

15、BUCK电路中的续流二极管可以换成MOS管吗

BUCK中的续流二极管是一种提供一个续流回路的器件，它可以使电感中的电流不会突变，从而保证输出电压的稳定。续流二极管通常是肖特基二极管，因为他们具有低导通电阻和反向恢复时间短的特性，可以减少功率损耗和开关损耗。

MOS管是一种可控器件，它可以用来代替续流二极管，形成同步BUCK电路。同步buck电路的优势是可以进一步降低导通损耗和开关损耗，提高变换器效率。MOS管的缺点是价格相对较高，而且需要额外的驱动电路和控制逻辑。

LDO DC-DC

1. 外围器件少，电路简单，成本低；

2. 负载响应快、输出纹波小；

3. 效率低、输入输出压差不能太大；

4. 只能降压；

5. 噪声小，静态电流小，最高5A；

6. 分为可调和固定型；

7. 外围器件多，电路复杂，成本高；

8. 负载响应慢，输出纹波大；

9. 效率高，输入电压范围宽泛；

10. 支持降压和生涯；
    输出电流高，功率大；

11. 开关噪声大，一般后接LDO；

12. 一般都是可调型，通过FB反馈电阻调节；

LDO（线性稳压电源）：输出电压纹波小；效率低，只能降压。

DC-DC（开关稳压电源）：输出电压大；效率高，升降压都可以。

LDO一般使用PMOS：由于LDO效率比较低，一般不会走大电流。NMOS开启电压（一般0.5V以上），NPN基极电压要比发射级高0.7V左右才能导通。这个栅极基极的驱动电压比较高，要求VIN比VOUT高很多才可以，这在低压差条件下难以实现。PMOS可以获得更小的压差，所以饱和压降小的LDO都是PMOS/PNP结构，针对一些大电流低压差需求的场合，需要使用NMOS LDO。

DC-DC一般用NMOS：在DC-DC转换器中，上管（高侧开关）的选择主要取决于它的开关速度和导通电阻。PMOS的Rds（on）比较大，意味者DC-DC的损耗大，效率低；NMOS的电子迁移率较高，因此其开关速度通常比PMOS更快。更快的开关速度可以提高DC-DC转换器的效率和响应速度。

调制方式

PWM

频率不变，不断调整脉冲宽度

原理：是一种固定周期，变化Ton来改变占空比的调制方式。当输出电压发生变化时，通过环路的控制，便会使驱动信号的占空比发生改变，从而维持输出电压的恒定。

优点：控制电路简单，输出纹波电压小，频率特性好，线性度高，并且在重负载的情况下有比较高的效率。

缺点：随着负载变轻，其效率也下降。

PFM

脉冲宽度不变，调整频率

原理：驱动信号的脉冲宽度保持恒定，但脉冲出现的频率发生改变，即所谓的定宽调频。当输出电压发生变化时，通过环路的调整，而是脉冲出现的频率发生改变，从而实现对电路的控制与调整。

优点：在轻负载的情况下，由于开关频率的降低，PFM调制能减少开关损耗。

缺点：在重负载的情况下，其效率会明显低于PWM方式。

PSM（频率和脉宽都不变，脉冲时有时无）（定频定宽）

原理：其驱动信号的频率与宽度都保持恒定，只是，当负载为最重的情况时，驱动信号满频工作，当负载变轻时，驱动信号就会跳过一些开关周期，开关功率管一直保持为关断的状态。当负载发生变化时，通过改变跨周期出现的次数，来实现对系统的调整与控制。

优点：在高负载时工作在PWM模式，而在轻负载时，通过跳过部分开关周期来降低开关频率和功耗，从而提高了轻载效率。

缺点：输出电压有着比较大的纹波电压。

总结：

PWM控制型：具有良好的输出电压纹波和噪声；开关电源中最为广泛的一种控制方式，特点是噪音低、满负载时效率高且能工作在连续导电模式。

PFM控制型：尤其小负载时具有耗电小的优点；在轻载时效率较高，适用于需要降低待机功耗的应用。

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。在功率集成电路中广泛采用，克服PWM轻负载时变换效率较低、PFM频谱分布随机的缺点。