电源转换之DC-DC_LDO

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2024年8月1日发(作者：)

电源转换之DC-DC

电源按输出类型分为

AC

（交流）和

DC

（直流）。电源之间的转换大致分为

以下情况：

1．AC-AC升/降压

2

．

AC-DC

升

/

降压

3．DC-AC升/降压

4．DC-DC升/降压

第1种情况主用应用电网输配电的网络上。第2情况应用很广泛，手机充电

器，电脑电源适配器等。第3情况应用电源逆变器。第4种情况主要用于PCB

板上电源转换。我们公司现有产品上采用的是

DC-DC

降压的电源转换方式。

DC-DC的意思是直流变（到）直流（不同直流电源值的转换）。根据调整

管的工作状态分为线性稳压电源和开关稳压电源。

线性稳压电源是比较早使用的一类直流稳压电源。线性稳压直流电源的特

点是：输出电压比输入电压低；反应速度快，输出纹波较小；工作产生的噪

声低；效率较低；发热量大（尤其是大功率电源），间接地给系统增加热噪声。

一般来说，线性稳压电源由调整管、参考电压、取样电路、误差放大电路

等几个基本部分组成如下图：

常用的线性串联型稳压电源芯片有：78XX系列，79XX系列，1117系列（LDO）。

从上图可以看出输入输出之间存在压差：

Vdrop

＝

2Vbe

＋

Vsat

至少有1.5V～2.5V的压差（7805压差典型值为2V）。

LDO(LowDropout)稳压器，导通管是单个PNP管来驱动单个NPN管。LDO

的最大优势就是

PNP

管只会带来很小的导通压降，输入输出之间存在压差：

Vdrop＝Vbe＋Vsat

我们现在用LSP1117A，AP1117都属于这种LDO。（LSP1117A压差典型值：

1.3V）。现在市场还有一种更低压差的LDO，如LSP2160（压差典型值：220Mv）。

它的导通管采用

P-FET

（

P

沟道场效应管）。采用

P-FET

做导通管不仅

Vdrop

可以做的很低同时静态电流可以做的很小，在PNPLDO中要驱动PNP功率管

就需要基极电流。基极电流由地脚（groundpin）流出并反馈回反相输入电压端。

因此，这些基极驱动电流并未用来驱动负载而是流回到地。

P

沟道场效应管

（P-FET）是电压驱动型的其栅极驱动电流非常小。（LSP1117静态电流

5ma,LSP2160静态电流最大为600uA）。

选择LDO电源芯片的时候我们需要关心以下参数：

1．输出电压：稳压器输出电压，能否满足设计需求

2

．电流限制：负载即使在瞬间也不能达到电流值，我们设计时需求最大电流要

低与此值。

3．压差：输入电压与输出电压之差，压差越小越好，压差越小效率越高。

4

．输入电压范围：

LDO

稳压器都为了满足输出所需要的最小的输入电压及防止

芯片损坏最大输入电压。

5．线性调整率：该参数是输出电压随输入电压变化而变化程度。当然是越小越

好。

6．负载调整率：输出电压随负载变化而变化的程度。当然越小越好。

7．静态电流：静态电流是驱动大功率的调整管所必须的，它不流向负载，而是

直接流向地，是一种消耗，当然是越小越好。

8．纹波抑制比：这个参数是反映LDO的输出对输入纹波抑制的一个交流参数。

9．参考电压：用于计算输出电压的，同时我们输出电压不能低于这个值。

10

．耗散功率：这个值反映了芯片本身最大能够消耗的功率，对我们选芯片的

封状有指导意义。

尺寸、电压降（压差VIN-VOUT的最低值）、最小/最大输入电压、最小/最大

可接受负载电压、容错

/

精度、负载瞬态电流、线路调整率、静态电流。在考虑

这些选择LDO基本的约束条件之后，第二个步骤是研究选择线性稳压器的可行

性。这一步很有必要，这样可以在研究线性稳压器优劣的同时，快速地缩小可选

范围。最重要的一些计算都很简单，通过这些计算可以确定功率损耗、效率以及

需要的散热方式：首先，用IOUT与压差VIN-VOUT的乘积计算出功率损耗，

然后与IC内部电路的功耗相加：PLOSS=[(VIN-VOUT)×IOUT]+PIC，其中，

PIC=VIN×IGND

（

IGND

亦为

ISUPPLY

或

IQ

）。可以用以下公式确定应用的

功耗对散热方式的要求：θJA=(TJ-TA)/PLOSS，其中θJA为封装的热阻；TJ为

IC

的最大结温

TA

为紧贴

IC

的环境温度（一般为

125°C

），（系统的内部环境）。

数据表中封装的θJA必须等于或小于计算出的θJA值，否则结温可能会超出设定

的最大值。

LDO芯片典型应用：

LDO芯片应用很简单外围器件只需要两个电容及分压电阻就好了。输入旁

路电容主要蓄能防止输入电压在输出瞬间时跌落低于压差要求。输出电容是用来

补尝LDO稳压器的，它对于保持输出电压的稳定性起非常重要作用，它必须同时

满足最小容值和ESR的要求。通常钽电容是最好的选择，AVX钽电容在

－40℃到

＋125℃

温度范围内的变化小于2:1，铝电解电容在低温时的ESR会变大很多，所

以不适合作LDO的输出电容，大的陶瓷电容ESR太小而且容值的温度特性很差，

也就是说在工作范围内的温度的上升和下降会使容值成倍的变化，所以也不推荐

作为LDO的输出电容。电容值的增加会提高电路的稳定性和瞬态响应。因为现在

很多LDO芯片帮零点补偿电容放在LDO里面，这样对输出电容的ESR要求就没有

那么高了。在选择调压电阻R1的时候，最好能使LDO输出电流自动满足最低输

出电流的要求（LSP1117最低负载电流10ma,所以典型R1为121欧姆）。在PCB

布局时输入的旁路电容应靠近VIN脚，输出电容靠近VOUT，分压电阻应放在靠

近LDO这边而不是靠近负载。

开关稳压电源：调整管工作在开关状态，就是我狭义上讲的DCDC。开关型

DC-DC转换器包括升压、降压、升/降压和反相等电路，他的优点效率高、可以

输出大电流、静态电流小，但是由于电路工作在开关状态，所以噪声比较大。

上图降压型开关电源示意图。通过上图我们简单的分析其原理。如图所示，电

路由开关K（实际电路中为三极管或者场效应管），续流二极管D，储能电感L，

滤波电容C等构成。当开关闭合时，电源通过开关K、电感L给负载供电，并将

部分电能储存在电感L以及电容C中。由于电感L的自感，在开关接通后，电流

增大得比较缓慢，即输出不能立刻达到电源电压值。一定时间后，开关断开，由

于电感L的自感作用，将保持电路中的电流不变，即从左往右继续流。这电流流

过负载，从地线返回，流到续流二极管D的正极，经过二极管D，返回电感L的

左端，从而形成了一个回路。通过控制开关闭合跟断开的时间（即PWM——脉冲

宽度调制），就可以控制输出电压。如果通过检测输出电压来控制开、关的时间，

以保持输出电压不变，这就实现了稳压的目的。

开关电源的芯片有：TL494，LM2575，LM2673，ADP2303,MP1482。

下图是MP1482的原理框图：

选择DC-DC电源芯片的时候我们需要关心以下参数：

1．

2．

3．

4．

输入电压范围：为了使DC/DC能工作，每个DC/DC都有最小的工作电压

这个和LDO不同（LDO满足差压要求就好）。

参考电压：DC-DC能输出的最小电压

最大输出电流

同步/异步降压：异步降压外部电路需要续流二极管，同步降压不需要由

内部的MOS管代替。

图A：异步降压模式，图B：同步降压模式

5．

6．

开关频率：DC/DC内部的开关频率越高，外部需要电容和电感值就越小，

但是开关频率高引起噪声高，效率也会降低。

耗散功率

DC-DC(MP1482)电源芯片典型应用：

Vo=0.92*(1+R1/R2).所以MP1482最低电压为0.92v。

外部电感和电容值由输出电流电压的纹波决定：

电感上的电压计算公式：V=L*Di/Dt。当电感上的电压为正时，电感上的电

流就会增加，当电感上的电压为负时，电感上的电流就会减小；通过电感的电流

如下图所示：

Idc为流过电感的平均电流等于输出电流。

流过电感的纹波电流：

电感的峰值电流：Ipp=Idc+△I/2。（选着外部电感时，电感的饱和电流要大于

这个值，一般电感的饱和电流为此值的1.25~1.5倍）。

L>=Vout/(△I*f)*(1-Vout/Vin)。（L与△I成反比，与开关频率也成反比）。

纵述：电感的大小主要由开关频率决定，大小会影响到系统的纹波。电感的饱和

电流为Ipp的1.5倍。电感的内阻由系统功耗决定越小越好了。

由电容电流计算：I=C*Dv/Dt。实际电容有电容，电阻，电感串联而成，如下图

输出电压纹波△V为△VCout,△Vesr,△esl的矢量和。

为了减小电压纹波，电容的ERS值要小，一般选用钽电容或者陶瓷电容。选用电

解电容的时候：

选用钽电容或者陶瓷电容时候：

纵述电容的选择：输入电容主要是消除电源的纹波，因为DC-DC降压芯片电源输

入端的电流是连续，输入电容需要消除开关引起的电流脉冲。最好选用低ESR

值的陶瓷电容，也可以将电解电容和小容量的并连使用。容量选要20UF以上。

输出电容大小用上面算式可以看出来由输出纹波电压、纹波电流、开关频率共同

决定。电容的ESR值由纹波电压和纹波电流决定。

电容的容量越大越好？电容越大，为IC提供的电流补偿的能力越强。且不说电

容容量的增大带来的体积变大，增加成本的同时还影响空气流动和散热。关键在

于电容上存在寄生电感，电容放电回路会在某个频点上发生谐振。在谐振点，电

容的阻抗小。因此放电回路的阻抗最小，补充能量的效果也最好。但当频率超过

谐振点时，放电回路的阻抗开始增加，电容提供电流能力便开始下降。容的容值

越大，谐振频率越低，电容能有效补偿电流的频率范围也越小。从保证电容提供

高频电流的能力的角度来说，电容越大越好的观点是错误的，一般的电路设计中

都有一个参考值的。

电容的ESR值越小越好？ESR值越低电容的滤波效果会越好，但是对于DC-DC

的输出电容来说并不是ESR越低越好，低ESR电容会引起开关电路振荡，特别是

当选择LDO的输出电容，很低ESR（<20毫欧）电容会使大多少LDO产生震荡。

一般来说钽电容的高频特性比较好，但是漏电流较大，陶瓷电容主要用于高频

部分，铝电解电容介于钽电容和陶瓷电容。钽电容是电源输入输出电容的首选，

但是钽电容比较贵，所以一般电源输入输出电容选用大容量的电解电容和小容值

的陶瓷电容并联使用，电解电容价格便宜．

电容的耐压一般选择2倍的，容值MP1482推荐10Uf,电解电容推荐220UF。

COMP端电压，由反馈电压和参考电压通过误差放大器比较得到，COMP端电压决

定了上管的峰值电流及占空比，占空比控制输出电压的变化从而达到负反馈。

COMP端R3，C3决定系统带宽和相位裕量，C6为了消除高ESR电容带来的影响。

异步降压二极管的选择：通常都选用肖特基二极管（低功耗、超高速、大电流），

反向电压为输入电源的两倍，前向电流为输出电流的两倍。

DC-DCPCBLAYOUT：

1．SW脚出来的线要粗，短，即电感要靠近3脚，BST电容要靠近1,3脚。

2．输入电容靠近第2脚。

3．输入地，芯片地，输出地要尽量靠近，以减小电流的回路面积。

4．反馈电阻要靠近FB脚，远离SW信号，并且取样要从输出电容取样，以保持

系统的稳定性。

LDO与DC-DC比较：

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，整个成本比较低。但是它只适

合输入输出差压小，输出电流小的应用，否则效率会比较低。

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，DC-DC不仅

可以降压还可以升压（LDO只能降压）。

但是DC/DC输出脉动和开关噪音较大、一般都会要求电感,二极管,大电容,有的

还会要MOSFET，成本相对较高，占用PCB面积也较大，系统相对LDO要复杂。

本文标签： 电容电流电压输出电感