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干货 | 电源芯片选择DC/DC还是LDO
干货
这个取决于你的应用场合。比如用在升压场合,当然只能用DC/DC,因为LDO是压降型,不能升压。另外看下各自的主要特点:

DC/DC:效率高,噪声大;

LDO:噪声低,静态电流小;

所以如果是用在压降比较大的情况下,选择DC/DC,因为其效率高,而LDO会因为压降大而自身损耗很大部分效率;

如果压降比较小,选择LDO,因为其噪声低,电源干净,而且外围电路简单,成本低。

LDO是low dropout regulator,意为低压差线性稳压器,是相对于传统的线性稳压器来说的。传统的线性稳压器,如78xx系列的芯片都要求输入电压要比输出电压高出2v~3V以上,否则就不能正常工作。但是在一些情况下,这样的条件显然是太苛刻了,如5v转3.3v,输入与输出的压差只有1.7v,显然是不满足条件的。针对这种情况,才有了LDO类的电源转换芯片。

 

LDO线性降压芯片:原理相当于一个电阻分压来实现降压,能量损耗大,降下的电压转化成了热量,降压的压差和负载电流越大,芯片发热越明显。这类芯片的封装比较大,便于散热。

LDO线性降压芯片如:HE63XX,HE62XX,LM2596,L78系列等。

 

DC/DC降压芯片:在降压过程中能量损耗比较小,芯片发热不明显。芯片封装比较小,能实现PWM数字控制。

DC/DC降压芯片如:HE9416,HE9406,

 

关于LDO电源

 

什么是 LDO(低压降)稳压器?

LDO 是一种线性稳压器。线性稳压器使用在其线性区域内运行的晶体管或 FET,从应用的输入电压中减去超额的电压,产生经过调节的输出电压。所谓压降电压,是指稳压器将输出电压维持在其额定值上下 100mV 之内所需的输入电压与输出电压差额的最小值。正输出电压的

LDO(低压降)稳压器通常使用功率晶体管(也称为传递设备)作为 PNP。这种晶体管允许饱和,所以稳压器可以有一个非常低的压降电压,通常为 200mV 左右;与之相比,使用 NPN 复合电源晶体管的传统线性稳压器的压降为 2V 左右。负输出 LDO 使用 NPN 作为它的传递设备,其运行模式与正输出 LDO 的 PNP设备类似。

更新的发展使用 CMOS 功率晶体管,它能够提供最低的压降电压。使用 CMOS,通过稳压器的唯一电压压降是电源设备负载电流的 ON 电阻造成的。如果负载较小,这种方式产生的压降只有几十毫伏。

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

LDO VS DCDC

DCDC的意思是直流变(到)直流(不同直流电源值的转换),只要符合这个定义都可以叫DCDC转换器,

包括LDO。但是一般的说法是把直流变(到)直流由开关方式实现的器件叫DCDC。

     LDO是低压降的意思,这有一段说明:低压降(LDO)线性稳压器的成本低,噪音低,静态电流小,

这些是它的突出优点。它需要的外接元件也很少,通常只需要一两个旁路电容。新的LDO线性稳压

器可达到以下指标:输出噪声30μV,PSRR为60dB,静态电流6μA,电压降只有100mV。LDO线性稳

压器的性能之所以能够达到这个水平,主要原因在于其中的调整管是用P沟道MOSFET,而普通的线

性稳压器是使用PNP晶体管。P沟道MOSFET是电压驱动的,不需要电流,所以大大降低了器件本身消

耗的电流;另一方面,采用PNP晶体管的电路中,为了防止PNP晶体管进入饱和状态而降低输出能力

, 输入和输出之间的电压降不可以太低;而P沟道MOSFET上的电压降大致等于输出电流与导通电阻

的乘积。由於MOSFET的导通电阻很小,因而它上面的电压降非常低。

     如果输入电压和输出电压很接近,最好是选用LDO稳压器,可达到很高的效率。所以,在把锂离子电

池电压转换为3V输出电压的应用中大多选用LDO稳压器。虽说电池的能量最後有百分之十是没有使用

,LDO稳压器仍然能够保证电池的工作时间较长,同时噪音较低。

     如果输入电压和输出电压不是很接近,就要考虑用开关型的DCDC了,应为从上面的原理可以知道,

LDO的输入电流基本上是等于输出电流的,如果压降太大,耗在LDO上能量太大,效率不高。

DC-DC转换器包括升压、降压、升/降压和反相等电路。DC-DC转换器的优点是效率高、可以输出大

电流、静态电流小。随著集成度的提高,许多新型DC-DC转换器仅需要几只外接电感器和滤波电容

器。但是,这类电源控制器的输出脉动和开关噪音较大、成本相对较高。

     近几年来,随著半导体技术的发展,表面贴装的电感器、电容器、以及高集成度的电源控制芯片的

成本不断降低,体积越来越小。由於出现了导通电阻很小的MOSFET可以输出很大功率,因而不需要

外部的大功率FET。例如对于3V的输入电压,利用芯片上的NFET可以得到5V/2A的输出。其次,对于

中小功率的应用,可以使用成本低小型封装。另外,如果开关频率提高到1MHz,还能够降低成本、

可以使用尺寸较小的电感器和电容器。有些新器件还增加许多新功能,如软启动、限流、PFM或者

PWM方式选择等。

     总的来说,升压是一定要选DCDC的,降压,是选择DCDC还是LDO,要在成本,效率,噪声和性能上

比较。

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~`

LDO体积小,干扰较小,当输入与输出电压差较大的化,转换效率低。

DC-DC好处就是转换效率高,可以大电流,但输出干扰较大,体积也相对较大。

LDO一般是指线性的稳压器--Low Drop Out, 而DC/DC则是线性式和开关式稳压器的总称.

如果你的输出电流不是很大(如3A以内), 而且输入输出压差也不大(如3.3V转2.5V等)就可以使用LDO的稳压器(优点是输出电压的ripple很小). 否则最好用开关式的稳压器, 如果是升压, 也只能用开关式稳压器(如果ripple控制不好,容易影响系统工作).

LDO的选择

当所设计的电路对分路电源有以下要求:

1. 高的噪音和纹波抑制;

2. 占用PCB板面积小,如手机等手持电子产品;

3. 电路电源不允许使用电感器,如手机;

4. 电源需要具有瞬时校准和输出状态自检功能;

5. 要求稳压器低压降,自身功耗低;

6. 要求线路成本低和方案简单;

此时,选用LDO是最恰当的选择,同时满足产品设计的各种要求
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这个取决于你的应用场合。比如用在升压场合,当然只能用DC/DC,因为LDO是压降型,不能升压。另外看下各自的主要特点:

DC/DC:效率高,噪声大;

LDO:噪声低,静态电流小;

所以如果是用在压降比较大的情况下,选择DC/DC,因为其效率高,而LDO会因为压降大而自身损耗很大部分效率;

如果压降比较小,选择LDO,因为其噪声低,电源干净,而且外围电路简单,成本低。

LDO是low dropout regulator,意为低压差线性稳压器,是相对于传统的线性稳压器来说的。传统的线性稳压器,如78xx系列的芯片都要求输入电压要比输出电压高出2v~3V以上,否则就不能正常工作。但是在一些情况下,这样的条件显然是太苛刻了,如5v转3.3v,输入与输出的压差只有1.7v,显然是不满足条件的。针对这种情况,才有了LDO类的电源转换芯片。

 

LDO线性降压芯片:原理相当于一个电阻分压来实现降压,能量损耗大,降下的电压转化成了热量,降压的压差和负载电流越大,芯片发热越明显。这类芯片的封装比较大,便于散热。

LDO线性降压芯片如:HE63XX,HE62XX,LM2596,L78系列等。

 

DC/DC降压芯片:在降压过程中能量损耗比较小,芯片发热不明显。芯片封装比较小,能实现PWM数字控制。

DC/DC降压芯片如:HE9416,HE9406,

 

关于LDO电源

 

什么是 LDO(低压降)稳压器?

LDO 是一种线性稳压器。线性稳压器使用在其线性区域内运行的晶体管或 FET,从应用的输入电压中减去超额的电压,产生经过调节的输出电压。所谓压降电压,是指稳压器将输出电压维持在其额定值上下 100mV 之内所需的输入电压与输出电压差额的最小值。正输出电压的

LDO(低压降)稳压器通常使用功率晶体管(也称为传递设备)作为 PNP。这种晶体管允许饱和,所以稳压器可以有一个非常低的压降电压,通常为 200mV 左右;与之相比,使用 NPN 复合电源晶体管的传统线性稳压器的压降为 2V 左右。负输出 LDO 使用 NPN 作为它的传递设备,其运行模式与正输出 LDO 的 PNP设备类似。

更新的发展使用 CMOS 功率晶体管,它能够提供最低的压降电压。使用 CMOS,通过稳压器的唯一电压压降是电源设备负载电流的 ON 电阻造成的。如果负载较小,这种方式产生的压降只有几十毫伏。

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LDO VS DCDC

DCDC的意思是直流变(到)直流(不同直流电源值的转换),只要符合这个定义都可以叫DCDC转换器,

包括LDO。但是一般的说法是把直流变(到)直流由开关方式实现的器件叫DCDC。

     LDO是低压降的意思,这有一段说明:低压降(LDO)线性稳压器的成本低,噪音低,静态电流小,

这些是它的突出优点。它需要的外接元件也很少,通常只需要一两个旁路电容。新的LDO线性稳压

器可达到以下指标:输出噪声30μV,PSRR为60dB,静态电流6μA,电压降只有100mV。LDO线性稳

压器的性能之所以能够达到这个水平,主要原因在于其中的调整管是用P沟道MOSFET,而普通的线

性稳压器是使用PNP晶体管。P沟道MOSFET是电压驱动的,不需要电流,所以大大降低了器件本身消

耗的电流;另一方面,采用PNP晶体管的电路中,为了防止PNP晶体管进入饱和状态而降低输出能力

, 输入和输出之间的电压降不可以太低;而P沟道MOSFET上的电压降大致等于输出电流与导通电阻

的乘积。由於MOSFET的导通电阻很小,因而它上面的电压降非常低。

     如果输入电压和输出电压很接近,最好是选用LDO稳压器,可达到很高的效率。所以,在把锂离子电

池电压转换为3V输出电压的应用中大多选用LDO稳压器。虽说电池的能量最後有百分之十是没有使用

,LDO稳压器仍然能够保证电池的工作时间较长,同时噪音较低。

     如果输入电压和输出电压不是很接近,就要考虑用开关型的DCDC了,应为从上面的原理可以知道,

LDO的输入电流基本上是等于输出电流的,如果压降太大,耗在LDO上能量太大,效率不高。

DC-DC转换器包括升压、降压、升/降压和反相等电路。DC-DC转换器的优点是效率高、可以输出大

电流、静态电流小。随著集成度的提高,许多新型DC-DC转换器仅需要几只外接电感器和滤波电容

器。但是,这类电源控制器的输出脉动和开关噪音较大、成本相对较高。

     近几年来,随著半导体技术的发展,表面贴装的电感器、电容器、以及高集成度的电源控制芯片的

成本不断降低,体积越来越小。由於出现了导通电阻很小的MOSFET可以输出很大功率,因而不需要

外部的大功率FET。例如对于3V的输入电压,利用芯片上的NFET可以得到5V/2A的输出。其次,对于

中小功率的应用,可以使用成本低小型封装。另外,如果开关频率提高到1MHz,还能够降低成本、

可以使用尺寸较小的电感器和电容器。有些新器件还增加许多新功能,如软启动、限流、PFM或者

PWM方式选择等。

     总的来说,升压是一定要选DCDC的,降压,是选择DCDC还是LDO,要在成本,效率,噪声和性能上

比较。

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LDO体积小,干扰较小,当输入与输出电压差较大的化,转换效率低。

DC-DC好处就是转换效率高,可以大电流,但输出干扰较大,体积也相对较大。

LDO一般是指线性的稳压器--Low Drop Out, 而DC/DC则是线性式和开关式稳压器的总称.

如果你的输出电流不是很大(如3A以内), 而且输入输出压差也不大(如3.3V转2.5V等)就可以使用LDO的稳压器(优点是输出电压的ripple很小). 否则最好用开关式的稳压器, 如果是升压, 也只能用开关式稳压器(如果ripple控制不好,容易影响系统工作).

LDO的选择

当所设计的电路对分路电源有以下要求:

1. 高的噪音和纹波抑制;

2. 占用PCB板面积小,如手机等手持电子产品;

3. 电路电源不允许使用电感器,如手机;

4. 电源需要具有瞬时校准和输出状态自检功能;

5. 要求稳压器低压降,自身功耗低;

6. 要求线路成本低和方案简单;

此时,选用LDO是最恰当的选择,同时满足产品设计的各种要求
应用 | HE40XX单节锂电池充电管理芯片应用说明
应用
1: R1为功耗分摊电阻,有此电阻可以减少芯片发热,5V输入可以使用0.25欧,亦可不加。
2 : R2电阻采用0402或者0603等廉价电阻即可,阻值1.5欧左右都可。
3 :如果难采用以上第二种方式,可直接省掉C1电容,即R2,C1都去掉。
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1: R1为功耗分摊电阻,有此电阻可以减少芯片发热,5V输入可以使用0.25欧,亦可不加。
2 : R2电阻采用0402或者0603等廉价电阻即可,阻值1.5欧左右都可。
3 :如果难采用以上第二种方式,可直接省掉C1电容,即R2,C1都去掉。
DC-DC升压和降压电路电感参数选择详解
DC-DC升压和降压电路电感参数选择详解
注:只有充分理解电感在DC-DC电路中发挥的作用,才能更优的设计DC-DC电路。本文还包括对同步DC-DC及异步DC-DC概念的解释。DC-DC电路电感参数选择详解

 

DC-DC电路电感的选择简介

   在开关电源的设计中电感的设计为工程师带来的许多的挑战。工程师不仅要选择电感值,还要考虑电感可承受的电流,绕线电阻,机械尺寸等等。本文专注于解释:电感上的DC电流效应。这也会为选择合适的电感提供必要的信息。

 

理解电感的功能

   电感常常被理解为开关电源输出端中的LC滤波电路中的L(C是其中的输出电容)。虽然这样理解是正确的,但是为了理解电感的设计就必须更深入的了解电感的行为。

   在降压转换中(Fairchild典型的开关控制器),电感的一端是连接到DC输出电压。另一端通过开关频率切换连接到输入电压或GND。



   在状态1过程中,电感会通过(高边“high-side”)MOSFET连接到输入电压。在状态2过程中,电感连接到GND。由于使用了这类的控制器,可以采用两种方式实现电感接地:通过二极管接地或通过(低边“low-side”)MOSFET接地。如果是后一种方式,转换器就称为“同步(synchronus)”方式。DC-DC电路电感参数选择详解

  现在再考虑一下在这两个状态下流过电感的电流是如果变化的。在状态1过程中,电感的一端连接到输入电压,另一端连接到输出电压。对于一个降压转换器,输入电压必须比输出电压高,因此会在电感上形成正向压降。相反,在状态2过程中,原来连接到输入电压的电感一端被连接到地。对于一个降压转换器,输出电压必然为正端,因此会在电感上形成负向的压降。

我们利用电感上电压计算公式:DC-DC电路电感参数选择详解

V=L(dI/dt)

   因此,当电感上的电压为正时(状态1),电感上的电流就会增加;当电感上的电压为负时(状态2),电感上的电流就会减小。通过电感的电流如图2所示:



   通过上图我们可以看到,流过电感的最大电流为DC电流加开关峰峰电流的一半。上图也称为纹波电流。根据上述的公式,我们可以计算出峰值电流:



   其中,ton是状态1的时间,T是开关周期(开关频率的倒数),DC为状态1的占空比。

 

   警告:上面的计算是假设各元器件(MOSFET上的导通压降,电感的导通压降或异步电路中肖特基二极管的正向压降)上的压降对比输入和输出电压是可以忽略的。

如果,器件的下降不可忽略,就要用下列公式作精确计算:

同步转换电路:



异步转换电路:



   其中,Rs为感应电阻阻抗加电感绕线电阻的阻。Vf是肖特基二极管的正向压降。R是Rs加MOSFET导通电阻,R=Rs+Rm。

电感磁芯的饱和度

   通过已经计算的电感峰值电流,我们可以发现电感上产生了什么。很容易会知道,随着通过电感的电流增加,它的电感量会减小。这是由于磁芯材料的物理特性决定的。电感量会减少多少就很重要了:如果电感量减小很多,转换器就不会正常工作了。当通过电感的电流大到电感实效的程度,此时的电流称为“饱和电流”。这也是电感的基本参数。

   实际上,转换电路中的开关功率电感总会有一个“软”饱和度。要了解这个概念可以观察实际测量的电感VsDC电流的曲线:



   当电流增加到一定程度后,电感量就不会急剧下降了,这就称为“软”饱和特性。如果电流再增加,电感就会损坏了。

   注意:电感量下降在很多类的电感中都会存在。例如:toroids,gappedE-cores等。但是,rodcore电感就不会有这种变化。

有了这个软饱和的特性,我们就可以知道在所有的转换器中为什么都会规定在DC输出电流下的最小电感量;而且由于纹波电流的变化也不会严重影响电感量。在所有的应用中都希望纹波电流尽量的小,因为它会影响输出电压的纹波。这也就是为什么大家总是很关心DC输出电流下的电感量,而会在Spec中忽略纹波电流下的电感量。
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注:只有充分理解电感在DC-DC电路中发挥的作用,才能更优的设计DC-DC电路。本文还包括对同步DC-DC及异步DC-DC概念的解释。DC-DC电路电感参数选择详解

 

DC-DC电路电感的选择简介

   在开关电源的设计中电感的设计为工程师带来的许多的挑战。工程师不仅要选择电感值,还要考虑电感可承受的电流,绕线电阻,机械尺寸等等。本文专注于解释:电感上的DC电流效应。这也会为选择合适的电感提供必要的信息。

 

理解电感的功能

   电感常常被理解为开关电源输出端中的LC滤波电路中的L(C是其中的输出电容)。虽然这样理解是正确的,但是为了理解电感的设计就必须更深入的了解电感的行为。

   在降压转换中(Fairchild典型的开关控制器),电感的一端是连接到DC输出电压。另一端通过开关频率切换连接到输入电压或GND。



   在状态1过程中,电感会通过(高边“high-side”)MOSFET连接到输入电压。在状态2过程中,电感连接到GND。由于使用了这类的控制器,可以采用两种方式实现电感接地:通过二极管接地或通过(低边“low-side”)MOSFET接地。如果是后一种方式,转换器就称为“同步(synchronus)”方式。DC-DC电路电感参数选择详解

  现在再考虑一下在这两个状态下流过电感的电流是如果变化的。在状态1过程中,电感的一端连接到输入电压,另一端连接到输出电压。对于一个降压转换器,输入电压必须比输出电压高,因此会在电感上形成正向压降。相反,在状态2过程中,原来连接到输入电压的电感一端被连接到地。对于一个降压转换器,输出电压必然为正端,因此会在电感上形成负向的压降。

我们利用电感上电压计算公式:DC-DC电路电感参数选择详解

V=L(dI/dt)

   因此,当电感上的电压为正时(状态1),电感上的电流就会增加;当电感上的电压为负时(状态2),电感上的电流就会减小。通过电感的电流如图2所示:



   通过上图我们可以看到,流过电感的最大电流为DC电流加开关峰峰电流的一半。上图也称为纹波电流。根据上述的公式,我们可以计算出峰值电流:



   其中,ton是状态1的时间,T是开关周期(开关频率的倒数),DC为状态1的占空比。

 

   警告:上面的计算是假设各元器件(MOSFET上的导通压降,电感的导通压降或异步电路中肖特基二极管的正向压降)上的压降对比输入和输出电压是可以忽略的。

如果,器件的下降不可忽略,就要用下列公式作精确计算:

同步转换电路:



异步转换电路:



   其中,Rs为感应电阻阻抗加电感绕线电阻的阻。Vf是肖特基二极管的正向压降。R是Rs加MOSFET导通电阻,R=Rs+Rm。

电感磁芯的饱和度

   通过已经计算的电感峰值电流,我们可以发现电感上产生了什么。很容易会知道,随着通过电感的电流增加,它的电感量会减小。这是由于磁芯材料的物理特性决定的。电感量会减少多少就很重要了:如果电感量减小很多,转换器就不会正常工作了。当通过电感的电流大到电感实效的程度,此时的电流称为“饱和电流”。这也是电感的基本参数。

   实际上,转换电路中的开关功率电感总会有一个“软”饱和度。要了解这个概念可以观察实际测量的电感VsDC电流的曲线:



   当电流增加到一定程度后,电感量就不会急剧下降了,这就称为“软”饱和特性。如果电流再增加,电感就会损坏了。

   注意:电感量下降在很多类的电感中都会存在。例如:toroids,gappedE-cores等。但是,rodcore电感就不会有这种变化。

有了这个软饱和的特性,我们就可以知道在所有的转换器中为什么都会规定在DC输出电流下的最小电感量;而且由于纹波电流的变化也不会严重影响电感量。在所有的应用中都希望纹波电流尽量的小,因为它会影响输出电压的纹波。这也就是为什么大家总是很关心DC输出电流下的电感量,而会在Spec中忽略纹波电流下的电感量。
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