ldo和dcdc的原理及選型標準介紹-KIA MOS管

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)芯片也應該屬于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。

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。

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：對于已工作在穩態的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于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于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，并且電感量越大，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，并且電感量越大該電壓越高；

1.1、BUCK降壓型

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)

即Vo=D*Vin (D為占空比)

1.2、BOOST升壓型

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)

即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，并且給大家看看基本拓撲與電源芯片的聯系，先來看一個圖：

2、LDO原理

LDO工作原理就一句話：通過運放調節P-MOS的輸出。

運放，控制P-MOS的打開程度。

LDO內部產生一個基準電壓，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，相當于一個壓控的可變電阻。

P-MOS處于線性電阻區，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，包含了電壓基準源(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。

其中電壓基準源為誤差放大器提供了高精度的基準電壓，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，基準電壓源于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。

3、選型標準

LDO和DC-DC倆者性能指標差異主要是：線性穩壓電源（LDO）的輸出電壓紋波小，然而在輸入工作電壓和輸出電壓相距比較大時轉換成工作效率較低，只有降壓不可以升壓。開關穩壓電源（DC-DC）的紋波大，然而在輸入工作電壓和輸出電壓相距比較大時轉換成工作效率較高，并能完成升、降壓輸出。

具體細節區別如下所示:

LDO外圍器件少，電路簡單，成本低；DC-DC外圍器件多，電路復雜，成本高；

LDO負載響應快，輸出紋波小；DC-DC負載響應比LDO慢，輸出紋波大；

LDO效率低，輸入輸出壓差不能太大；DC-DC效率高，輸入電壓范圍寬泛；

LDO只能降壓；DC-DC支持降壓和升壓；

LDO和DC-DC的靜態電流都小，根據具體的芯片來看；

LDO輸出電流有限，最高可能就幾A，且達到最高輸出和輸入輸出電壓都有關系；DC-DC輸出電流高，功率大；

LDO噪聲小；DC-DC開關噪聲大，為了提高開關DC-DC的精度，很多應用會在DC-DC后端接LDO；

LDO分為可調和固定型；DC-DC一般都是可調型，通過FB反饋電阻調節。

總的來說，升壓是一定要選DC-DC的，降壓，是選擇DC-DC還是LDO，要在成本，效率，噪聲和性能上比較。

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