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小白必看,LDO与DC-DC的入门理解

木马童年 2020-10-6 16:55 28 0

首先说明下这篇文章适合于对电源技术浅尝辄止的初学者,之所说适合是因为包括很多专业技术人员,在入门电源技术之初,基本都会陷入诸如“LDO 与 DC-DC 区别”、“LDO 与 DC-DC 在选型上该如何取舍”等问题,对于 LDO ...

首先说明下这篇文章适合于对电源技术浅尝辄止的初学者,之所说适合是因为包括很多专业技术人员,在入门电源技术之初,基本都会陷入诸如“LDO 与 DC-DC 区别”、“LDO 与 DC-DC 在选型上该如何取舍”等问题,对于 LDO 与 DC-DC 的各种疑惑存在于采购、工程、软件等非硬件人员中,因此,若你是硬件专业人员,这篇文章对于你来说可能是你早已理解过的知识,若你认为以下文字描述的还比较恰当且容易理解,那么当有一名采购同事或软件工程师再问你类似的问题,你可以转发这个给他而非多次重复回答这个问题。

LDO:低压差线性调整器

DC-DC:开关型调整器

关于 LDO:

如下图,假如有一个电池 5V,一个 LED 灯的驱动电压为 2.5V,你不能直接把灯接到电池上,因为 5V 的电压对于灯来说过高会直接把灯烧坏,因此你必须串联一个电阻,而且这个电阻的设计原则是在保证灯的亮度下承担“过剩”的电压,也就是 5V-2.5V = 2.5V 。(具体这个电阻阻值怎么算:假如我们灯需要流过 5mA 的电流,那么对于串联电路中,各个点的电流相同可知,电阻流过的电流也为 5mA,根据欧姆定律可知电阻阻值 R = 2.5V / 5mA = 0.5KΩ。)

小白必看,LDO与DC-DC的入门理解

在如上的理解中,5V 供对负载 LED 灯进行驱动的过程为“降压”,而电阻“承担剩余压降”,这个作用就是 LDO 要达到的效果,就像现在找到一个输出电压为 2.5V 的 LDO,我们可以做到如下图(为了避免干扰,我暂时不放入限流电阻)。

小白必看,LDO与DC-DC的入门理解

“为什么不直接用电阻而需要使用 LDO”:

因为但你把电池换为 9V 的电池时,为了承担“剩余电压 9-2.5=6.5V”,你必须更换一个更大的电阻以“承担剩余电压”,而 LDO 芯片内部会自我反馈调节,依然稳定输出 2.5V。实际上,LDO 是通过输入和输出之间串联晶体管电路来实现降压功能,该晶体管电路工作在其“电压 - 电流特性曲线”的线性区,起到可变电阻的作用,因此也叫线性调整器

小白必看,LDO与DC-DC的入门理解

如上图,过剩电压 Vin - Vout的差值通常称为 LDO 的压差,显而易见,Vout 是由 Vin 去掉被分担的过剩电压后得到值,因此 Vout 一定小于 Vin,这就如同于你有一盆水要分给一个小杯子一样,你必须用另外一个盆子去装剩余的水。

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应当注意,并没有正式的规定压差值为多少时可以称线性调整器为低压差,一般认为最小压降为 200mV 甚至更低才能成为低压差线性调整器,即 LDO。

对于 DC-DC,你依然可以用水的概念理解:

LDO:你有一盆水要分给一个小杯子一样,你必须用另外一个盆子去装剩余的水

DC-DC:你有一盆水要分给一个小杯子,你找来了一个水龙头,你通过调节水龙头水量的大小,一边观察小水杯的水是否已经满了,一边通过操作“开水 - 关水 - 开水 - 关水”的动作,直到小水杯的水刚好为你想要的量。

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实际上,DC-DC 的基本类型之一如下,DC-DC 的晶体管电路处于开关状态,它将能量一点点给予到输出,如同一个车挤满了人,一辆辆大巴一趟又一趟地将人群输送到目的地。

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而,LDO 的晶体管电路处于放大状态,因此输出不需要用到的能量必须由晶体管电路进行承担消耗,由此这也就可以理解 DC-DC 的能量转化比较高,因为它分为多次传送,理想状态下不需要中间额外的消耗。因此对于转化效率要求比较高的设计中,选用 DC-DC 会更加靠谱,就比如 220V 的电压,你想要降为 2.5V 给 LED 灯,当你使用 LDO 时,有 220-2.5 = 217.5V 的剩余电压额外消耗,此时乘以流过的电流 5mA,则功率为 217.5 * 5 = 1.087W,该功率以热量消耗掉,你的 LDO 会发烫!

回归到 LDO,你选型时需要关注的基本概念有:

压差、裕量电压、静态电流、接地电流、关断电流、效率、直流输入电压和负载调整率、 输入电压和负载瞬态响应、电源抑制比(PSRR)、输出噪声和精度。

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