DC-DC与LDO的区别及原理

一、DC-DC与LDO的区别

LDO

低压差线性稳压器(low dropout voltage regulator),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(降压)。BOOST(升压)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。

二、DC-DC与LDO的原理

1、DC-DC原理

DC/DC电源指直流转换为直流的电源,从这个定义上看,LDO(低压差线性稳压器)芯片也应该属于DC/DC电源,但一般只将直流变换到直流,且这种转换是通过开关方式实现的电源称为DC/DC电源。

DC-DC与LDO的区别及原理

要理解DC/DC的工作原理,首先得了解一个定律和开关电源的三种基本拓扑(不要以为开关电源的基本拓扑很难,你继续往下看)。

电感电压伏秒平衡定律

一个功率变换器,当输入、负载和控制均为固定值时的工作状态,在开关电源中,被称为稳态。稳态下,功率变换器中的电感满足电感电压伏秒平衡定律:对于已工作在稳态的DC/DC功率变换器,有源开关导通时加在滤波电感上的正向伏秒一定等于有源开关截止时加在该电感上的反向伏秒。

电感的基本方程为:V(t)=L*dI(t)/dt,即电感两端的电压等于电感感值乘以通过电感的电流随时间的变化率。

1、当一个电感突然加上一个电压时,其中的电流逐渐增加,并且电感量越大,其电流增加越慢;

2、当一个电感上的电流突然中断,会在电感两端产生一个瞬间高压,并且电感量越大该电压越高;

进一步可参见百度文库:https://wenku.baidu.com/view/0aa580691eb91a37f1115ce8.html

1.1、BUCK降压型

DC-DC与LDO的区别及原理

当PWM驱动MOS管Q1导通时,忽略MOS管的导通压降,此时电感两端电压保持不变为Vin-Vo,根据电感的基本方程:V(t)=L*dI(t)/dt,电感电流将呈线性上升,此时电感正向伏秒为:V*Ton=(Vin-Vo)*Ton。

当PWM驱动MOS管Q1截至时,电感电流经过续流二极管D1形成回路(忽略二极管压降)且电感电流不发生突变,同样电感两端电压也保持不变为Vo,方向与(Vin-Vo)相反,电感电流呈线性下降,此时电感反向伏秒为:V*Toff=Vo*(Ts-Ton),Ts为PWM波形周期。

根据电感电压伏秒平衡定律可得:(Vin-Vo)*Ton =Vo*(Ts-Ton)

Vo=D*Vin (D为占空比)

1.2、BOOST升压型

DC-DC与LDO的区别及原理

BOOST升压型基本拓扑的简化原理图,其分析方法和BUCK电路分析类似。

当PWM驱动MOS管导通时,此时电感的正向伏秒为:Vin*Ton; 当PWM驱动MOS管截至时,此时电感的反向伏秒为:(Vo- Vin)*(Ts-Ton)。

根据电感电压伏秒平衡定律可得:Vin*Ton =(Vo- Vin)*(Ts-Ton)

Vo=Vin/(1-D)

1.3、接下来我们来看看DC/DC电源芯片内部的单元模块,并且给大家看看基本拓扑与电源芯片的联系,先来看一个图:

DC-DC与LDO的区别及原理

2、LDO原理

LDO工作原理就一句话:通过运放调节P-MOS的输出。

DC-DC与LDO的区别及原理

  • 运放,控制P-MOS的打开程度。

    LDO内部产生一个基准电压,作为运放的反向电压,将LDO的输出电压通过分压作为运放的正向输入电压。运放的输出去控制P-MOS管的工作状态

  • P-MOS,相当于一个压控的可变电阻。

 P-MOS处于线性电阻区,可看成一个压控可变电阻。输入的VIN电压,经过这个P-MOS管后变为输出电压,这里P-MOS管的作用为将输入电压通过P-MOS的线性电阻区,将电压动态衰减值VOUT电压。

LDO是一种直流降压型的线性稳压器,其在输入电压或者负载电流发生变化的情况下仍然可以保持稳定的输出电压。如今的LDO电路具有体积小,噪声低,功耗低,价格低廉,使用方便等特点,但其基本的结构比较简单,包含了电压基准源(VREF),误差放大器(EA),调整管(MPASS),反馈电阻(Rl,R2)四个模块,如上图所示。

其中电压基准源为误差放大器提供了高精度的基准电压,误差放大器、调整管以及反馈电阻组成了LDO的控制环路,当输入电压或者负载电流变化的时候,输出电压VoUT也要做出相应的变化,此时LDO通过它的控制环路的负反馈调节作用可以抑制输出电压Votrr的变化。

如图所示,当输出电压降低时,通过反馈电R1,R2的分压作用,反馈电压VFB也相应的降低,基准电压源于误差放大器的反向输入端提供了稳定的参考电压,反馈电压VFB接误差放大器的正向输入端,误差放大器的输出电压VEA相应减小,调整管MPASS的栅极电压降低,栅源电压差值增加,漏极电流增加,输出电压Votrr相应增加,抑制了输出电压Votrr的降低,从而保持在稳定的输出。

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来源:硬件之家allchiphome,参考:@gsithxy@Wcat

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