在PCB中使用(yòng)LDO与开关稳压器

2021-05-26

在PCB中使用(yòng)LDO与开关稳压器

尽我们所能(néng)，我们提供给電(diàn)子设备的電(diàn)源并不总是稳定的。实际電(diàn)源中包含噪声，它们可(kě)能(néng)表现出電(diàn)源不稳定，或者它们会意外掉線(xiàn)。值得庆幸的是，我们有(yǒu)電(diàn)源调节器来帮助防止其中一些问题。

对于低功率设备，我们通常会看到两种类型的功率调节器：低压差调节器（LDO）或开关调节器。您可(kě)以在電(diàn)源总線(xiàn)的不同点上将它们混合和匹配，但是在设计中仍然需要选择是否使用(yòng)LDO与开关稳压器。

如果您曾经想过如何做出这些决定以及何时使用(yòng)每种类型的稳压器，那么就知道，除了简单地查看输入/输出電(diàn)压/電(diàn)流之外，这个决定还有(yǒu)更多(duō)的内容。继续阅读以了解更多(duō)有(yǒu)关為(wèi)低功耗设计选择LDO和开关稳压器的信息。由于我们在此博客上对PCB布局感兴趣，因此我将简要讨论在布局中需要发生什么以支持LDO或开关稳压器。

LDO与开关稳压器的比较

在使用(yòng)这些类型的電(diàn)源调节器进行组件布置和布局之前，最好先提醒一下这些電(diàn)路的工作原理(lǐ)。LDO是降压線(xiàn)性DC-DC電(diàn)压转换器，因此与降压转换器相比，它最好。也有(yǒu)電(diàn)阻線(xiàn)性稳压器，或使用(yòng)晶體(tǐ)管的串联和并联稳压器，但由于它们在PCB的電(diàn)源总線(xiàn)上不经常使用(yòng)，因此我暂时不讲这些。

低压降稳压器（LDO）

LDO是基于运放的線(xiàn)性稳压器。该電(diàn)路通过将调节器输出与反馈环路内的基准電(diàn)压（输出约為(wèi)1.25 V的硅带隙基准）进行比较来进行工作。基本拓扑如下所示。请注意，在此图中使用(yòng)了NPN晶體(tǐ)管，但通常会在实际電(diàn)路中找到MOSFET。

LDO電(diàn)路图

LDO中的净空

LDO具有(yǒu)一定的“裕量”，也称為(wèi)压差電(diàn)压，该压差是标称输出以上的小(xiǎo)電(diàn)压，用(yòng)于确定组件是否会导通。只要V（in）-V（out）>裕量，该组件就会给出标称输出電(diàn)压。分(fēn)压器用(yòng)于降低输入電(diàn)压，以便运算放大器可(kě)以将其与参考電(diàn)压（V-Ref）进行比较。除非您要使用(yòng)分(fēn)立元件构建LDO，否则无需担心设置运算放大器電(diàn)路和选择R1 / R2的麻烦。这些都集成到组件中。

最后，C1和C2是分(fēn)别清除输入和输出電(diàn)压的滤波電(diàn)容器。这些值虽然会帮助抑制输入和输出上的噪声，但不会影响裕量。只要输入電(diàn)压高于调节器的裕量，运算放大器就会将调节器的输出设置為(wèi)所需的電(diàn)平。

降压转换器

如上所述，与降压转换器相比，LDO最好，因為(wèi)它们都是降压组件。任何开关转换器的目标都很(hěn)简单：通过使用(yòng)开关元件调制输送到负载的電(diàn)流和電(diàn)压来产生稳定但可(kě)调节的输出電(diàn)压。这通常是由PWM信号驱动的功率MOSFET，尽管更大的稳压器（例如谐振LLC转换器）可(kě)能(néng)会并联使用(yòng)多(duō)个MOSFET来提供高電(diàn)流输出。在任何情况下，所有(yǒu)降压调节器都会抑制输入電(diàn)压的低频变化，但由于MOSFET的开关作用(yòng)，输出会产生一些高频噪声，这在仿真中可(kě)以清楚地看出。

比较

那么什么时候应该使用(yòng)这些调节器呢(ne)？它们都在清除噪声的同时将DC電(diàn)压降低到一个有(yǒu)用(yòng)的水平，因此它们不应该互换吗？实际上，它们有(yǒu)时是可(kě)互换的，但这取决于您所需的功率水平和電(diàn)源的特性。下表总结了这些電(diàn)路的每种类型的一些不同方面及其优势。

这张表上有(yǒu)很(hěn)多(duō)事情要做，但是我会尽力在这里总结几点。

LDO是开关稳压器的低噪声替代品。它们的布局更简单，成本也更低。

有(yǒu)时会在开关稳压器的下游使用(yòng)LDO，以将電(diàn)压进一步降低至低電(diàn)平。实际上，某些开关调节器组件在输出端包括一个LDO；而在输出端则包括一个LDO。

开关稳压器可(kě)提供非常精确的電(diàn)压控制，仅需调整PWM驱动频率即可(kě)。在LDO中，控制是被动的。

LDO和开关稳压器的PCB布局

这是一个相当深入的主题，因為(wèi)PCB布局部分(fēn)可(kě)以专注于稳压器電(diàn)路，電(diàn)源总線(xiàn)和下游负载。我更喜欢遵循两个准则：

请注意支持所需電(diàn)流所需的走線(xiàn)宽度，使IR压降保持较低以及将温度保持在安全范围内。在高電(diàn)流下工作时，不要害怕使用(yòng)多(duō)边形浇注。

保持较小(xiǎo)的环路電(diàn)感。这意味着使组件彼此靠近并找出PCB中的返回路径，以确保不会造成EMI问题。

下图应说明我的意思。此布局适用(yòng)于工作在3 MHz的开关稳压器。您会注意到，关键部分(fēn)，即由L2和滤清器盖形成的回路，具有(yǒu)一条返回附近地面的紧凑圆形返回路径。这有(yǒu)助于确保低辐射的EMI发射和接收。相同的原理(lǐ)将适用(yòng)于LDO，尽管在这种情况下，由于没有(yǒu)开关，因此我们更加担心EMI的接收。

开关稳压器的PCB布局示例。这些原则也适用(yòng)于LDO。

在LDO或开关转换器的应用(yòng)筆(bǐ)记中，您经常会看到布局示例。这些时要小(xiǎo)心；它们可(kě)能(néng)适合处理(lǐ)電(diàn)流，但它们的布局中可(kě)能(néng)隐藏着EMI问题。应用(yòng)筆(bǐ)记中的这些EMI问题通常起因于返回路径定义不当或无法创建具有(yǒu)低环路電(diàn)感的紧凑型布局。