在PCB中使用LDO与开关稳压IC

 

稳压IC图

 

尽管我们想要,但我们为电子产品提供的电力并不总是稳定的。实际电源包含噪声,它们可能表现出功率不稳定,或者它们意外掉线。值得庆幸的是,我们有功率调节器来帮助防止其中一些问题。

 

对于低功耗设备,我们通常看到两种类型的功率稳压器:线性稳压器(有时称为低压差稳压器或LDO)或开关稳压器。您可以在电源总线的不同点混合和匹配这些器件,但仍需在设计中选择是否使用LDO还是开关稳压器。

 

如果您曾经想过这些决定是如何做出的以及何时使用每种类型的稳压器,只需知道这个决定不仅仅是查看输入/输出电压/电流。继续阅读以了解有关为您的低功耗设计选择线性稳压器与开关稳压器的更多信息。由于我们对此博客上的PCB布局感兴趣,因此我将简要讨论布局中需要做些什么来支持LDO或开关稳压IC。

 

 

线性稳压器与开关稳压器比较

在使用这些类型的电源稳压IC进行元件排列和布局之前,最好先提醒一下这些电路的工作原理。LDO是一种降压线性DC-DC电压转换器,因此与降压转换器相比,它是最好的。还有使用晶体管的电阻线性稳压器,或串联和并联稳压IC,但我暂时不考虑这些,因为它们不经常用于PCB的电源总线。

 

低压差稳压器(LDO)

LDO是基于运算放大器的线性稳压器。该电路的工作原理是比较反馈环路内的稳压器输出和基准电压(具有~1.25 V输出的硅带隙基准电压源)。基本拓扑如下所示。请注意,此图中使用了NPN晶体管,但您通常会在实际电路中找到MOSFET。

发光二极管电路图
发光二极管电路图

 


LDO中的净空

低压差稳压IC具有一定的“裕量”,也称为压差电压,即高于标称输出的小电压,用于确定元件是否导通。只要V(输入)-V(输出)>裕量,则元件将给出标称输出电压。分压器用于降低输入电压,以便运算放大器可以将其与基准电压(V-Ref)进行比较。除非您从分立元件构建LDO,否则您无需担心设置运算放大器电路和选择R1 / R2;这些都集成到组件中。

 

最后,C1和C2是滤波电容,分别用于清理输入和输出端的电压。这些值不会影响裕量,尽管它们有助于抑制输入和输出上的噪声。运算放大器将稳压器的输出设置为所需电平,只要输入电压高于稳压器的裕量。

 

降压转换器

如上所述,LDO与降压转换器相比是最好的,因为它们都是降压元件。任何开关转换器的目标都很简单:通过调制通过开关元件传送到负载的电流和电压,产生稳定但可调的输出电压。这通常是由PWM信号驱动的功率MOSFET,尽管像谐振LLC转换器这样更大的稳压器可以使用多个MOSFET并联以提供高电流输出。在任何情况下,所有降压稳压器都会抑制输入电压的低频变化,但由于MOSFET的开关作用,输出会产生一些高频噪声,这在仿真中可以清楚地看到。

 

LDO与降压转换器比较

那么,您何时应该使用这些调节器呢?它们在清理噪声的同时都将直流电压降压到有用的水平,那么它们不应该是可互换的吗?实际上,它们有时是可互换的,但这取决于您需要的功率水平和电源的特性。下表总结了每种类型的电路的一些不同方面及其优点。

 

  断续器 降压转换器
复杂性 可作为单个集成组件提供 通常提供集成开关功能,但需要外部
电感器
稳定性和控制 反馈集成在设备中,仅提供电压控制 这些通常包括一个反馈引脚,用于测
量和调整输出电压和/或电流
噪声特性 高度不受低电平噪声的影响,只要输
入电压始终高于裕量
输出噪声由纹波和开关噪声组成。
断续器 高,通常约为 -60 dB 随电感器尺寸而变化,经过足够的滤
波后可小于1%
效率 当输入高于压差电压时较低 始终高 (~95%),只要在连续模式
下运行
输入类型 当输入电压预计会随着时间的推移而
降低时,最好使用
当输入电压预计随时间随机变化时,
最好使用,但这需要一个带有PWM调
整的反馈环路

这个表格中有很多事情要做,但我会尽我所能在这里总结几点

 

  1. LDO是开关稳压器的低噪声替代品。它们更易于布局,并且往往成本更低。
  2. LDO有时用于开关稳压器的下游,以进一步将电压降压到低电平。事实上,一些开关稳压器元件在输出端包括一个LDO;有关示例
  3. 开关稳压器可以提供非常精确的电压控制,只需要调整PWM驱动频率。在LDO稳压IC中,控制是无源的。

 


用于LDO和开关稳压器的PCB布局

这是一个相当深入的主题,因为PCB布局部分可以专注于稳压器电路,电源总线和下游负载。我更喜欢遵循两个准则:

注意支持所需电流所需的走线宽度,保持较低的IR压降,并将温度保持在安全范围内。不要害怕在高电流下工作时使用多边形浇注。
保持较小的环路电感。这意味着要使元件彼此靠近,并在PCB中跟踪返回路径,以确保您不会产生EMI问题。
下图应该说明我的意思。此布局适用于工作频率为3MHz的开关稳压器。您会注意到,关键部分,即由L2和过滤器盖创建的环路,具有返回附近地面浇注的紧密圆形回流路径。这有助于确保低辐射EMI发射和接收。同样的原则也适用于LDO,尽管在这种情况下,由于没有开关,我们更担心EMI的接收。


开关稳压器的PCB布局示例
开关稳压器的PCB布局示例。这些原则也适用于LDO

 

您经常会在LDO或开关转换器的应用说明中看到布局示例。小心这些;它们可能只是处理电流,但其布局中可能潜伏着EMI问题。应用笔记中的这些EMI问题通常源于返回路径定义不清或未能创建具有低环路电感的紧凑布局。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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创建时间:2022-08-16 14:34
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