LDO

LDO:LOW DROPOUT VOLTAGE LDO(是low dropout voltage regulator的缩写,整流器)低压差线性稳压器,故名思意,为线性的稳压器,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,BOOST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。

DC/DC和LDO的区别是什么?

DC/DC转换器一般由控制芯片,电杆线圈,二极管,三极管,电容构成。

DC/DC转换器为转变输入电压后有效输出固定电压的电压转换器。
DC/DC转换器分为三类:升压型DC/DC转换器、降压型DC/DC转换器以及升降压型DC/DC转换器。
根据需求可采用三类控制。PWM控制型效率高并具有良好的输出电压纹波和噪声。PFM控制型即使长时间使用,尤其小负载时具有耗电小的优点。PWM/PFM转换型小负载时实行PFM控制,且在重负载时自动转换到PWM控制。目前DC-DC转换器广泛应用于手机、MP3、数码相机、便携式媒体播放器等产品中。

DC-DC(简述原理)

其实内部是先把DC直流电源转变为交流电电源AC。通常是一种自激震荡电路,所以外面需要电感等分立元件。

然后在输出端再通过积分滤波,又回到DC电源。由于产生AC电源,所以可以很轻松的进行升压跟降压。两次转换,必然会产生损耗,这就是大家都在努力研究的如何提高DC-DC效率的问题。
对比:

1、DCtoDC包括boost(升压)、buck(降压)、Boost/buck(升/降压)和反相结构,具有高效率、高输出电流、低静态电流等特点,随着集成度的提高,许多新型DC-DC转换器的外围电路仅需电感和滤波电容;但该类电源控制器的输出纹波和开关噪声较大、成本相对较高。

2、LDO:低压差线性稳压器的突出优点是具有最低的成本,最低的噪声和最低的静态电流。它的外围器件也很少,通常只有一两个旁路电容。新型LDO可达到以下指标:30μV输出噪声、60dBPSRR、6μA静态电流及100mV的压差。

LDO简述原理:

线性稳压器能够实现这些特性的主要原因在于内部调整管采用了P沟道场效应管,而不是通常线性稳压器中的PNP晶体管。P沟道的场效应管不需要基极电流驱动,所以大大降低了器件本身的电源电流;另一方面,在采用PNP管的结构中,为了防止PNP晶体管进入饱和状态降低输出能力,必须保证较大的输入输出压差;而P沟道场效应管的压差大致等于输出电流与其导通电阻的乘积,极小的导通电阻使其压差非常低。当系统中输入电压和输出电压接近时,LDO是最好的选择,可达到很高的效率。所以在将锂离子电池电压转换为3V电压的应用中大多选用LDO,尽管电池最后放电能量的百分之十没有使用,但是LDO仍然能够在低噪声结构中提供较长的电池寿命。

便携电子设备不管是由交流市电经过整流(或交流适配器)后供电,还是由蓄电池组供电,工作过程中,电源电压都将在很大范围内变化。比如单体锂离子电池充足电时的电压为4.2V,放完电后的电压为2.3V,变化范围很大。各种整流器的输出电压不仅受市电电压变化的影响,还受负载变化的影响。为了保证供电电压稳定不变,几乎所有的电子设备都采用稳压器供电。小型精密电子设备还要求电源非常干净(无纹波、无噪声),以免影响电子设备正常工作。为了满足精密电子设备的要求,应在电源的输入端加入线性稳压器,以保证电源电压恒定和实现有源噪声滤波。

一、LDO的基本原理

低压差线性稳压器(LDO)的基本电路如图1-1所示,该电路由串联调整管VT(PNP晶体管,注:实际应用中,此处常用的是P沟道场效应管)、取样电阻R1和R2、比较放大器A组成。

图1-1低压差线性稳压器基本电路

取样电压Uin加在比较器A的同相输入端,与加在反相输入端的基准电压Uref(Uout*R2/(R1+R2))相比较,两者的差值经放大器A放大后.Uout=(U+-U-)*A注A为比较放大器的倍数,)控制串联调整管的压降,从而稳定输出电压。

当输出电压Uout降低时,基准电压Uref与取样电压Uin的差值增加,比较放大器输出的驱动电流增加,串联调整管压降减小,从而使输出电压升高。

相反,若输出电压Uout超过所需要的设定值,比较放大器输出的前驱动电流减小,从而使输出电压降低。供电过程中,输出电压校正连续进行,调整时间只受比较放大器和输出晶体管回路反应速度的限制。
应当说明,实际的线性稳压器还应当具有许多其它的功能,比如负载短路保护、过压关断、过热关断、反接保护等,而且串联调整管也可以采用MOSFET。

二、低压差线性稳压器的主要参数

1.输出电压(OutputVoltage)

输出电压是低压差线性稳压器最重要的参数,也是电子设备设计者选用稳压器时首先应考虑的参数。低压差线性稳压器有固定输出电压和可调输出电压两种类型。固定输出电压稳压器使用比较方便,而且由于输出电压是经过厂家精密调整的,所以稳压器精度很高。但是其设定的输出电压数值均为常用电压值,不可能满足所有的应用要求,但是外接元件数值的变化将影响稳定精度。

2.最大输出电流(MaximumOutputCurrent)

用电设备的功率不同,要求稳压器输出的最大电流也不相同。通常,输出电流越大的稳压器成本越高。为了降低成本,在多只稳压器组成的供电系统中,应根据各部分所需的电流值选择适当的稳压器。

3.输入输出电压差(DropoutVoltage)

输入输出电压差是低压差线性稳压器最重要的参数。在保证输出电压稳定的条件下,该电压压差越低,线性稳压器的性能就越好。比如,5.0V的低压差线性稳压器,只要输入5.5V电压,就能使输出电压稳定在5.0V。

4.接地电流(GroundPinCurrent)

接地电路IGND是指串联调整管输出电流为零时,输入电源提供的稳压器工作电流。该电流有时也称为静态电流,但是采用PNP晶体管作串联调整管元件时,这种习惯叫法是不正确的。通常较理想的低压差稳压器的接地电流很小。

5.负载调整率(LoadRegulation)

负载调整率可以通过图2-1和式2-1来定义,LDO的负载调整率越小,说明LDO抑制负载干扰的能力越强。

图2-1OutputVoltage&OutputCurrent

(2-1)

式中
△Vload—负载调整率
Imax—LDO最大输出电流
Vt—输出电流为Imax时,LDO的输出电压
Vo—输出电流为0.1mA时,LDO的输出电压
△V—负载电流分别为0.1mA和Imax时的输出电压之差

6.线性调整率(LineRegulation)

线性调整率可以通过图2-2和式2-2来定义,LDO的线性调整率越小,输入电压变化对输出电压影响越小,LDO的性能越好。

图2-2OutputVoltage&InputVoltage

(2-2)

式中
△Vline—LDO线性调整率
Vo—LDO名义输出电压
Vmax—LDO最大输入电压
△V—LDO输入Vo到Vmax'输出电压最大值和最小值之差

7.电源抑制比(PSSR)

LDO的输入源往往许多干扰信号存在。PSRR反映了LDO对于这些干扰信号的抑制能力。

三、LDO的典型应用

低压差线性稳压器的典型应用如图3-1所示。图3-1(a)所示电路是一种最常见的AC/DC电源,交流电源电压经变压器后,变换成所需要的电压,该电压经整流后变为直流电压。在该电路中,低压差线性稳压器的作用是:在交流电源电压或负载变化时稳定输出电压,抑制纹波电压,消除电源产生的交流噪声。

各种蓄电池的工作电压都在一定范围内变化。为了保证蓄电池组输出恒定电压,通常都应当在电池组输出端接入低压差线性稳压器,如图3-1(b)所示。低压差线性稳压器的功率较低,因此可以延长蓄电池的使用寿命。同时,由于低压差线性稳压器的输出电压与输入电压接近,因此在蓄电池接近放电完毕时,仍可保证输出电压稳定。

众所周知,开关性稳压电源的效率很高,但输出纹波电压较高,噪声较大,电压调整率等性能也较差,特别是对模拟电路供电时,将产生较大的影响。在开关性稳压器输出端接入低压差线性稳压器,如图2-3(c)所示,就可以实现有源滤波,而且也可大大提高输出电压的稳压精度,同时电源系统的效率也不会明显降低。

在某些应用中,比如无线电通信设备通常只有一足电池供电,但各部分电路常常采用互相隔离的不同电压,因此必须由多只稳压器供电。为了节省共电池的电量,通常设备不工作时,都希望低压差线性稳压器工作于睡眠状态。为此,要求线性稳压器具有使能控制端。有单组蓄电池供电的多路输出且具有通断控制功能的供电系统如图3-1(d)所示。

图3-1低压差线性稳压器(LDO)典型应用

DC-DC

应当可以这样理解: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。

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与DC/DC相比:

首先从效率上说,DC/DC的效率普遍要远高于LDO,这是其工作原理决定的.其次,DC/DC有Boost,Buck,Boost/Buck,(有人把ChargePump也归为此类)。而LDO只有降压型。

再次,也是很重要的一点,DC/DC因为其开关频率的原因导致其电源噪声很大,远比LDO大的多,大家可以关注PSRR这个参数.所以当考虑到比较敏感的模拟电路时候,有可能就要牺牲效率为保证电源的纯净而选择LDO。

还有,通常LDO所需要的外围器件简单,占面积小,而DC/DC一般都会要求电感,二极管,大电容,有的还会要MOSFET,特别是Boost电路,需要考虑电感的最大工作电流,二极管的反向恢复时间,大电容的ESR等等,所以从外围器件的选择来说比LDO复杂,而且占面积也相应的会大很多。

来源:电子爱好人士 - 玩转嵌入式

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延长电池寿命是各种应用中常见的设计要求。无论是玩具还是水表,设计师都有各式技术来提高电池寿命。在这篇博文中,我将阐述一种可策略性地绕过低掉电线性稳压器(LDO)的技术。

生成导轨

使用LDO是从电池产生调节电压的常用方式。对于在完全充电时输出4.2V的单节锂离子(Li-ion)电池尤其如此。

假设您要为电源电压范围在3V至3.6V之间的微控制器(MCU)生成3.3V,并选择TPS706生成该导轨。图1阐述了该电路。

图1:TPS706从电池调压3.3V

图1:TPS706从电池调压3.3V

尽管这个电路很简单,但它有一些限制。其中首要限制因素是掉电,这将导致LDO停止调压,并可能使MCU的供电电压超出规定范围。

掉电的含义

随着电池放电,锂离子电池的电压下降。图2所示为放电曲线的示例。

图2:锂离子电池电压随时间推移下降

图2:锂离子电池电压随时间推移下降

当您记起输入电压接近稳压输出电压时,LDO有可进入压差的风险,这可能令人不安。在某一点上,电池电压将下降到很低电平,使得TPS706将不再能够调压3.3V。相反,输出电压将开始跟踪等于压差电压的差值的电池电压。

当输出电流为50mA,输出电压为3.3V时,TPS706规定了典型的压差为295mV的电压。因此,一旦电池电压降至3.6V以下,LDO可能会进入掉电。图3提供了这类行为的一个示例。

图3:TPS706进入掉电模式

图3:TPS706进入掉电模式

如图所示,一旦VIN下降到3.6V左右,VOUT开始下降。由于MCU供电范围的下限为3V,这令人不安 —— 掉电可能导致VOUT非常快速地降至3V以下。

避免掉电

规避这个问题的一个方法是在它进行掉电之前或进入掉电时绕过LDO。图4说明了此解决方法。

图4:使用P-通道MOSFET来绕过LDO

图4:使用P-通道MOSFET来绕过LDO

在该电路中,TPS3780是双通道电压检测器,通过SENSE1监视电池电压。如果电池电压应低于3.4V,则OUT1将P-通道MOSFET的栅极驱动为低电平。这使得电流(蓝色箭头)流经MOSFET的漏极 - 源极端子,而不是流经LDO的输入 - 输出端子(红色箭头)。由于MOSFET具有比LDO更低的导通电阻,因此输出电压将更紧密地跟踪输入电压。

SENSE2监视输出电压。一旦输出电压低于3V(或MCU的电源范围底部),OUT2将置为低电平。该信号可将MCU置于复位模式。

图5所未为未借助绕过MOSFET的电路的行为。

图5:未绕过MOSFET的下降输入电压

图5:未绕过MOSFET的下降输入电压

为了模拟电池,输入电压以1V/ms的速率下降。您可以看到,一旦输入电压达到3.4V,输出下降到3V就需要大约100ms。

现在,我们来看一下使用绕过MOSFET的电路的行为,如图6所示。

图6:绕过MOSFET的下降输入电压

图6:绕过MOSFET的下降输入电压

一旦输入电压降至3.4V以下,MOSFET就会导通。输出电压现在等于输入电压减去穿过MOSFET的电压降。因此,现在,输出达到3V需要近320ms。通过增强PMOS器件,输出电压比LDO在压差中更接近跟踪输入电压。换言之,外部PMOS的低导通电阻有助于延长电池寿命。

实际上,电池电压将以较慢的转换速率下降。因此,使用旁路电路可显著延长工作时间。

电流消耗

当关闭电池时,您还必须考虑电路的电流消耗。见表1。

表1:各种电路元件的电流消耗

表1:各种电路元件的电流消耗

考虑这一消耗很重要,因为它有助于电池的整体放电。然而,幸运的是,其消耗极低,且额外的电路使电池的持续使用超过了增加的电流消耗。这对于需要更高负载电流的应用尤其如此。

结论

LDO是一种有效的低电流消耗方法,用于产生电池的导轨。然而,当电池电压开始下降时,掉电可能导致调压问题。MOSFET与LDO结合使用有助于避免此问题,以达到最长的电池寿命。

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