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在PCB中使用LDO與開關(guān)穩(wěn)壓器
在PCB中使用LDO與開關(guān)穩(wěn)壓器
盡我們所能，我們提供給電子設(shè)備的電源并不總是穩(wěn)定的。實(shí)際電源中包含噪聲，它們可能表現(xiàn)出電源不穩(wěn)定，或者它們會(huì)意外掉線。值得慶幸的是，我們有電源調(diào)節(jié)器來幫助防止其中一些問題。
對(duì)于低功率設(shè)備，我們通常會(huì)看到兩種類型的功率調(diào)節(jié)器：低壓差調(diào)節(jié)器（LDO）或開關(guān)調(diào)節(jié)器。您可以在電源總線的不同點(diǎn)上將它們混合和匹配，但是在設(shè)計(jì)中仍然需要選擇是否使用LDO與開關(guān)穩(wěn)壓器。
如果您曾經(jīng)想過如何做出這些決定以及何時(shí)使用每種類型的穩(wěn)壓器，那么就知道，除了簡單地查看輸入/輸出電壓/電流之外，這個(gè)決定還有更多的內(nèi)容。繼續(xù)閱讀以了解更多有關(guān)為低功耗設(shè)計(jì)選擇LDO和開關(guān)穩(wěn)壓器的信息。由于我們?cè)诖瞬┛蜕蠈?duì)PCB布局感興趣，因此我將簡要討論在布局中需要發(fā)生什么以支持LDO或開關(guān)穩(wěn)壓器。
LDO與開關(guān)穩(wěn)壓器的比較
在使用這些類型的電源調(diào)節(jié)器進(jìn)行組件布置和布局之前，最好先提醒一下這些電路的工作原理。LDO是降壓線性DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器，因此與降壓轉(zhuǎn)換器相比，它最好。也有電阻線性穩(wěn)壓器，或使用晶體管的串聯(lián)和并聯(lián)穩(wěn)壓器，但由于它們?cè)?span>PCB的電源總線上不經(jīng)常使用，因此我暫時(shí)不講這些。
低壓降穩(wěn)壓器（LDO）
LDO是基于運(yùn)放的線性穩(wěn)壓器。該電路通過將調(diào)節(jié)器輸出與反饋環(huán)路內(nèi)的基準(zhǔn)電壓（輸出約為1.25 V的硅帶隙基準(zhǔn)）進(jìn)行比較來進(jìn)行工作。基本拓?fù)淙缦滤尽Ｕ?qǐng)注意，在此圖中使用了NPN晶體管，但通常會(huì)在實(shí)際電路中找到MOSFET。
LDO電路圖
LDO中的凈空
LDO具有一定的“裕量”，也稱為壓差電壓，該壓差是標(biāo)稱輸出以上的小電壓，用于確定組件是否會(huì)導(dǎo)通。只要V（in）-V（out）>裕量，該組件就會(huì)給出標(biāo)稱輸出電壓。分壓器用于降低輸入電壓，以便運(yùn)算放大器可以將其與參考電壓（V-Ref）進(jìn)行比較。除非您要使用分立元件構(gòu)建LDO，否則無需擔(dān)心設(shè)置運(yùn)算放大器電路和選擇R1 / R2的麻煩。這些都集成到組件中。
最后，C1和C2是分別清除輸入和輸出電壓的濾波電容器。這些值雖然會(huì)幫助抑制輸入和輸出上的噪聲，但不會(huì)影響裕量。只要輸入電壓高于調(diào)節(jié)器的裕量，運(yùn)算放大器就會(huì)將調(diào)節(jié)器的輸出設(shè)置為所需的電平。
降壓轉(zhuǎn)換器
如上所述，與降壓轉(zhuǎn)換器相比，LDO最好，因?yàn)樗鼈兌际墙祲航M件。任何開關(guān)轉(zhuǎn)換器的目標(biāo)都很簡單：通過使用開關(guān)元件調(diào)制輸送到負(fù)載的電流和電壓來產(chǎn)生穩(wěn)定但可調(diào)節(jié)的輸出電壓。這通常是由PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)的功率MOSFET，盡管更大的穩(wěn)壓器（例如諧振LLC轉(zhuǎn)換器）可能會(huì)并聯(lián)使用多個(gè)MOSFET來提供高電流輸出。在任何情況下，所有降壓調(diào)節(jié)器都會(huì)抑制輸入電壓的低頻變化，但由于MOSFET的開關(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出。
比較
那么什么時(shí)候應(yīng)該使用這些調(diào)節(jié)器呢？它們都在清除噪聲的同時(shí)將DC電壓降低到一個(gè)有用的水平，因此它們不應(yīng)該互換嗎？實(shí)際上，它們有時(shí)是可互換的，但這取決于您所需的功率水平和電源的特性。下表總結(jié)了這些電路的每種類型的一些不同方面及其優(yōu)勢(shì)。
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我愿意 |
降壓轉(zhuǎn)換器 |
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復(fù)雜 |
可作為單個(gè)集成組件 |
通常帶有集成開關(guān)，但需要外部電感器 |
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穩(wěn)定性和控制性 |
反饋已集成到設(shè)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(cè)量和調(diào)整輸出電壓和/或電流 |
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噪音特性 |
只要輸入電壓始終高于裕量，就可以高度抵抗低電平噪聲 |
輸出噪聲包括紋波和開關(guān)噪聲。 |
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PSRR |
高，通常約為-60 dB |
隨著電感器尺寸的變化，經(jīng)過足夠的濾波，可以小于1％ |
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效率 |
當(dāng)輸入高于壓差電壓時(shí)降低 |
只要在連續(xù)模式下運(yùn)行，始終為高（?95％） |
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輸入類型 |
最好在預(yù)期輸入電壓會(huì)隨著時(shí)間降低的情況下使用 |
當(dāng)預(yù)期輸入電壓隨時(shí)間隨機(jī)變化時(shí)最適合使用，但這需要具有PWM調(diào)節(jié)功能的反饋環(huán)路 |
這張表上有很多事情要做，但是我會(huì)盡力在這里總結(jié)幾點(diǎn)。
LDO是開關(guān)穩(wěn)壓器的低噪聲替代品。它們的布局更簡單，成本也更低。
有時(shí)會(huì)在開關(guān)穩(wěn)壓器的下游使用LDO，以將電壓進(jìn)一步降低至低電平。實(shí)際上，某些開關(guān)調(diào)節(jié)器組件在輸出端包括一個(gè)LDO；而在輸出端則包括一個(gè)LDO。
開關(guān)穩(wěn)壓器可提供非常精確的電壓控制，僅需調(diào)整PWM驅(qū)動(dòng)頻率即可。在LDO中，控制是被動(dòng)的。
LDO和開關(guān)穩(wěn)壓器的PCB布局
這是一個(gè)相當(dāng)深入的主題，因?yàn)?span>PCB布局部分可以專注于穩(wěn)壓器電路，電源總線和下游負(fù)載。我更喜歡遵循兩個(gè)準(zhǔn)則：
請(qǐng)注意支持所需電流所需的走線寬度，使IR壓降保持較低以及將溫度保持在安全范圍內(nèi)。在高電流下工作時(shí)，不要害怕使用多邊形澆注。
保持較小的環(huán)路電感。這意味著使組件彼此靠近并找出PCB中的返回路徑，以確保不會(huì)造成EMI問題。
下圖應(yīng)說明我的意思。此布局適用于工作在3 MHz的開關(guān)穩(wěn)壓器。您會(huì)注意到，關(guān)鍵部分，即由L2和濾清器蓋形成的回路，具有一條返回附近地面的緊湊圓形返回路徑。這有助于確保低輻射的EMI發(fā)射和接收。相同的原理將適用于LDO，盡管在這種情況下，由于沒有開關(guān)，因此我們更加擔(dān)心EMI的接收。
開關(guān)穩(wěn)壓器的PCB布局示例。這些原則也適用于LDO。
在LDO或開關(guān)轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用筆記中，您經(jīng)常會(huì)看到布局示例。這些時(shí)要小心；它們可能適合處理電流，但它們的布局中可能隱藏著EMI問題。應(yīng)用筆記中的這些EMI問題通常起因于返回路徑定義不當(dāng)或無法創(chuàng)建具有低環(huán)路電感的緊湊型布局。