DC-DC與LDO的區別及原理


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一、DC-DC與LDO的區別

LDO

低壓差線性穩壓器(low dropout voltage regulator),僅能使用在降壓應用中。也就是輸出電壓必需小於輸入電壓。

  • 優點:穩定性好,負載響應快。輸出紋波小。
  • 缺點:效率低,輸入輸出的電壓差不能太大。負載不能太大,目前最大的LDO為5A(但要保證5A的輸出還有很多的限制條件)

DC/DC

直流電壓轉直流電壓。嚴格來講,LDO也是DC/DC的一種,但目前DC/DC多指開關電源。具有很多種拓朴結構,如BUCK(降壓)。BOOST(升壓)等。

  • 優點:效率高,輸入電壓范圍較寬。
  • 缺點:負載響應比LDO差,輸出紋波比LDO大。

二、DC-DC與LDO的原理

1、DC-DC原理

DC/DC電源指直流轉換為直流的電源,從這個定義上看,LDO(低壓差線性穩壓器)芯片也應該屬於DC/DC電源,但一般只將直流變換到直流,且這種轉換是通過開關方式實現的電源稱為DC/DC電源。

DC-DC與LDO的區別及原理

要理解DC/DC的工作原理,首先得了解一個定律和開關電源的三種基本拓撲(不要以為開關電源的基本拓撲很難,你繼續往下看)。

電感電壓伏秒平衡定律

一個功率變換器,當輸入、負載和控制均為固定值時的工作狀態,在開關電源中,被稱為穩態。穩態下,功率變換器中的電感滿足電感電壓伏秒平衡定律:對於已工作在穩態的DC/DC功率變換器,有源開關導通時加在濾波電感上的正向伏秒一定等於有源開關截止時加在該電感上的反向伏秒。

電感的基本方程為:V(t)=L*dI(t)/dt,即電感兩端的電壓等於電感感值乘以通過電感的電流隨時間的變化率。

1、當一個電感突然加上一個電壓時,其中的電流逐漸增加,並且電感量越大,其電流增加越慢;

2、當一個電感上的電流突然中斷,會在電感兩端產生一個瞬間高壓,並且電感量越大該電壓越高;

進一步可參見百度文庫:https://wenku.baidu.com/view/0aa580691eb91a37f1115ce8.html

1.1、BUCK降壓型

DC-DC與LDO的區別及原理

當PWM驅動MOS管Q1導通時,忽略MOS管的導通壓降,此時電感兩端電壓保持不變為Vin-Vo,根據電感的基本方程:V(t)=L*dI(t)/dt,電感電流將呈線性上升,此時電感正向伏秒為:V*Ton=(Vin-Vo)*Ton。

當PWM驅動MOS管Q1截至時,電感電流經過續流二極管D1形成回路(忽略二極管壓降)且電感電流不發生突變,同樣電感兩端電壓也保持不變為Vo,方向與(Vin-Vo)相反,電感電流呈線性下降,此時電感反向伏秒為:V*Toff=Vo*(Ts-Ton),Ts為PWM波形周期。

根據電感電壓伏秒平衡定律可得:(Vin-Vo)*Ton =Vo*(Ts-Ton)

Vo=D*Vin (D為占空比)

1.2、BOOST升壓型

DC-DC與LDO的區別及原理

BOOST升壓型基本拓撲的簡化原理圖,其分析方法和BUCK電路分析類似。

當PWM驅動MOS管導通時,此時電感的正向伏秒為:Vin*Ton; 當PWM驅動MOS管截至時,此時電感的反向伏秒為:(Vo- Vin)*(Ts-Ton)。

根據電感電壓伏秒平衡定律可得:Vin*Ton =(Vo- Vin)*(Ts-Ton)

Vo=Vin/(1-D)

1.3、接下來我們來看看DC/DC電源芯片內部的單元模塊,並且給大家看看基本拓撲與電源芯片的聯系,先來看一個圖:

DC-DC與LDO的區別及原理

2、LDO原理

LDO工作原理就一句話:通過運放調節P-MOS的輸出。

DC-DC與LDO的區別及原理

  • 運放,控制P-MOS的打開程度。

    LDO內部產生一個基准電壓,作為運放的反向電壓,將LDO的輸出電壓通過分壓作為運放的正向輸入電壓。運放的輸出去控制P-MOS管的工作狀態

  • P-MOS,相當於一個壓控的可變電阻。

 P-MOS處於線性電阻區,可看成一個壓控可變電阻。輸入的VIN電壓,經過這個P-MOS管后變為輸出電壓,這里P-MOS管的作用為將輸入電壓通過P-MOS的線性電阻區,將電壓動態衰減值VOUT電壓。

LDO是一種直流降壓型的線性穩壓器,其在輸入電壓或者負載電流發生變化的情況下仍然可以保持穩定的輸出電壓。如今的LDO電路具有體積小,噪聲低,功耗低,價格低廉,使用方便等特點,但其基本的結構比較簡單,包含了電壓基准源(VREF),誤差放大器(EA),調整管(MPASS),反饋電阻(Rl,R2)四個模塊,如上圖所示。

其中電壓基准源為誤差放大器提供了高精度的基准電壓,誤差放大器、調整管以及反饋電阻組成了LDO的控制環路,當輸入電壓或者負載電流變化的時候,輸出電壓VoUT也要做出相應的變化,此時LDO通過它的控制環路的負反饋調節作用可以抑制輸出電壓Votrr的變化。

如圖所示,當輸出電壓降低時,通過反饋電R1,R2的分壓作用,反饋電壓VFB也相應的降低,基准電壓源於誤差放大器的反向輸入端提供了穩定的參考電壓,反饋電壓VFB接誤差放大器的正向輸入端,誤差放大器的輸出電壓VEA相應減小,調整管MPASS的柵極電壓降低,柵源電壓差值增加,漏極電流增加,輸出電壓Votrr相應增加,抑制了輸出電壓Votrr的降低,從而保持在穩定的輸出。

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