在PCB中使用LDO與開(kāi)關(guān)穩壓IC
盡管我們想要,但我們?yōu)殡娮赢a(chǎn)品提供的電力并不總是穩定的。實(shí)際電源包含噪聲,它們可能表現出功率不穩定,或者它們意外掉線(xiàn)。值得慶幸的是,我們有功率調節器來(lái)幫助防止其中一些問(wèn)題。
對于低功耗設備,我們通??吹絻煞N類(lèi)型的功率穩壓器:線(xiàn)性穩壓器(有時(shí)稱(chēng)為低壓差穩壓器或LDO)或開(kāi)關(guān)穩壓器。您可以在電源總線(xiàn)的不同點(diǎn)混合和匹配這些器件,但仍需在設計中選擇是否使用LDO還是開(kāi)關(guān)穩壓器。
如果您曾經(jīng)想過(guò)這些決定是如何做出的以及何時(shí)使用每種類(lèi)型的穩壓器,只需知道這個(gè)決定不僅僅是查看輸入/輸出電壓/電流。繼續閱讀以了解有關(guān)為您的低功耗設計選擇線(xiàn)性穩壓器與開(kāi)關(guān)穩壓器的更多信息。由于我們對此博客上的PCB布局感興趣,因此我將簡(jiǎn)要討論布局中需要做些什么來(lái)支持LDO或開(kāi)關(guān)穩壓IC。
線(xiàn)性穩壓器與開(kāi)關(guān)穩壓器比較
在使用這些類(lèi)型的電源穩壓IC進(jìn)行元件排列和布局之前,最好先提醒一下這些電路的工作原理。LDO是一種降壓線(xiàn)性DC-DC電壓轉換器,因此與降壓轉換器相比,它是最好的。還有使用晶體管的電阻線(xiàn)性穩壓器,或串聯(lián)和并聯(lián)穩壓IC,但我暫時(shí)不考慮這些,因為它們不經(jīng)常用于PCB的電源總線(xiàn)。
低壓差穩壓器(LDO)
LDO是基于運算放大器的線(xiàn)性穩壓器。該電路的工作原理是比較反饋環(huán)路內的穩壓器輸出和基準電壓(具有~1.25 V輸出的硅帶隙基準電壓源)?;就負淙缦滤?。請注意,此圖中使用了NPN晶體管,但您通常會(huì )在實(shí)際電路中找到MOSFET。
發(fā)光二極管電路圖
LDO中的凈空
低壓差穩壓IC具有一定的“裕量”,也稱(chēng)為壓差電壓,即高于標稱(chēng)輸出的小電壓,用于確定元件是否導通。只要V(輸入)-V(輸出)>裕量,則元件將給出標稱(chēng)輸出電壓。分壓器用于降低輸入電壓,以便運算放大器可以將其與基準電壓(V-Ref)進(jìn)行比較。除非您從分立元件構建LDO,否則您無(wú)需擔心設置運算放大器電路和選擇R1 / R2;這些都集成到組件中。
最后,C1和C2是濾波電容,分別用于清理輸入和輸出端的電壓。這些值不會(huì )影響裕量,盡管它們有助于抑制輸入和輸出上的噪聲。運算放大器將穩壓器的輸出設置為所需電平,只要輸入電壓高于穩壓器的裕量。
降壓轉換器
如上所述,LDO與降壓轉換器相比是最好的,因為它們都是降壓元件。任何開(kāi)關(guān)轉換器的目標都很簡(jiǎn)單:通過(guò)調制通過(guò)開(kāi)關(guān)元件傳送到負載的電流和電壓,產(chǎn)生穩定但可調的輸出電壓。這通常是由PWM信號驅動(dòng)的功率MOSFET,盡管像諧振LLC轉換器這樣更大的穩壓器可以使用多個(gè)MOSFET并聯(lián)以提供高電流輸出。在任何情況下,所有降壓穩壓器都會(huì )抑制輸入電壓的低頻變化,但由于MOSFET的開(kāi)關(guān)作用,輸出會(huì )產(chǎn)生一些高頻噪聲,這在仿真中可以清楚地看到。
LDO與降壓轉換器比較
那么,您何時(shí)應該使用這些調節器呢?它們在清理噪聲的同時(shí)都將直流電壓降壓到有用的水平,那么它們不應該是可互換的嗎?實(shí)際上,它們有時(shí)是可互換的,但這取決于您需要的功率水平和電源的特性。下表總結了每種類(lèi)型的電路的一些不同方面及其優(yōu)點(diǎn)。
斷續器 | 降壓轉換器 | |
復雜性 | 可作為單個(gè)集成組件提供 | 通常提供集成開(kāi)關(guān)功能,但需要外部 電感器 |
穩定性和控制 | 反饋集成在設備中,僅提供電壓控制 | 這些通常包括一個(gè)反饋引腳,用于測 量和調整輸出電壓和/或電流 |
噪聲特性 | 高度不受低電平噪聲的影響,只要輸 入電壓始終高于裕量 |
輸出噪聲由紋波和開(kāi)關(guān)噪聲組成。 |
斷續器 | 高,通常約為 -60 dB | 隨電感器尺寸而變化,經(jīng)過(guò)足夠的濾 波后可小于1% |
效率 | 當輸入高于壓差電壓時(shí)較低 | 始終高 (~95%),只要在連續模式 下運行 |
輸入類(lèi)型 | 當輸入電壓預計會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移而 降低時(shí),最好使用 |
當輸入電壓預計隨時(shí)間隨機變化時(shí), 最好使用,但這需要一個(gè)帶有PWM調 整的反饋環(huán)路 |
這個(gè)表格中有很多事情要做,但我會(huì )盡我所能在這里總結幾點(diǎn)
- LDO是開(kāi)關(guān)穩壓器的低噪聲替代品。它們更易于布局,并且往往成本更低。
- LDO有時(shí)用于開(kāi)關(guān)穩壓器的下游,以進(jìn)一步將電壓降壓到低電平。事實(shí)上,一些開(kāi)關(guān)穩壓器元件在輸出端包括一個(gè)LDO;有關(guān)示例
- 開(kāi)關(guān)穩壓器可以提供非常精確的電壓控制,只需要調整PWM驅動(dòng)頻率。在LDO穩壓IC中,控制是無(wú)源的。
用于LDO和開(kāi)關(guān)穩壓器的PCB布局
這是一個(gè)相當深入的主題,因為PCB布局部分可以專(zhuān)注于穩壓器電路,電源總線(xiàn)和下游負載。我更喜歡遵循兩個(gè)準則:
注意支持所需電流所需的走線(xiàn)寬度,保持較低的IR壓降,并將溫度保持在安全范圍內。不要害怕在高電流下工作時(shí)使用多邊形澆注。
保持較小的環(huán)路電感。這意味著(zhù)要使元件彼此靠近,并在PCB中跟蹤返回路徑,以確保您不會(huì )產(chǎn)生EMI問(wèn)題。
下圖應該說(shuō)明我的意思。此布局適用于工作頻率為3MHz的開(kāi)關(guān)穩壓器。您會(huì )注意到,關(guān)鍵部分,即由L2和過(guò)濾器蓋創(chuàng )建的環(huán)路,具有返回附近地面澆注的緊密圓形回流路徑。這有助于確保低輻射EMI發(fā)射和接收。同樣的原則也適用于LDO,盡管在這種情況下,由于沒(méi)有開(kāi)關(guān),我們更擔心EMI的接收。
開(kāi)關(guān)穩壓器的PCB布局示例。這些原則也適用于LDO
您經(jīng)常會(huì )在LDO或開(kāi)關(guān)轉換器的應用說(shuō)明中看到布局示例。小心這些;它們可能只是處理電流,但其布局中可能潛伏著(zhù)EMI問(wèn)題。應用筆記中的這些EMI問(wèn)題通常源于返回路徑定義不清或未能創(chuàng )建具有低環(huán)路電感的緊湊布局。
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