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)。

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)

1. 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。
2. 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
3. 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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