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在PCB中使用LDO與開關穩壓器

2021-05-26

在PCB中使用LDO與開關穩壓器

盡我們所能，我們提供給電子設備的電源并不總是穩定的。實際電源中包含噪聲，它們可能表現出電源不穩定，或者它們會意外掉線。值得慶幸的是，我們有電源調節器來幫助防止其中一些問題。

對于低功率設備，我們通常會看到兩種類型的功率調節器：低壓差調節器（LDO）或開關調節器。您可以在電源總線的不同點上將它們混合和匹配，但是在設計中仍然需要選擇是否使用LDO與開關穩壓器。

如果您曾經想過如何做出這些決定以及何時使用每種類型的穩壓器，那么就知道，除了簡單地查看輸入/輸出電壓/電流之外，這個決定還有更多的內容。繼續閱讀以了解更多有關為低功耗設計選擇LDO和開關穩壓器的信息。由于我們在此博客上對PCB布局感興趣，因此我將簡要討論在布局中需要發生什么以支持LDO或開關穩壓器。

LDO與開關穩壓器的比較

在使用這些類型的電源調節器進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電壓轉換器，因此與降壓轉換器相比，它最好。也有電阻線性穩壓器，或使用晶體管的串聯和并聯穩壓器，但由于它們在PCB的電源總線上不經常使用，因此我暫時不講這些。

低壓降穩壓器（LDO）

LDO是基于運放的線性穩壓器。該電路通過將調節器輸出與反饋環路內的基準電壓（輸出約為1.25 V的硅帶隙基準）進行比較來進行工作?；就負淙缦滤尽Ｕ堊⒁?，在此圖中使用了NPN晶體管，但通常會在實際電路中找到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，該壓差是標稱輸出以上的小電壓，用于確定組件是否會導通。只要V（in）-V（out）>裕量，該組件就會給出標稱輸出電壓。分壓器用于降低輸入電壓，以便運算放大器可以將其與參考電壓（V-Ref）進行比較。除非您要使用分立元件構建LDO，否則無需擔心設置運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。這些值雖然會幫助抑制輸入和輸出上的噪聲，但不會影響裕量。只要輸入電壓高于調節器的裕量，運算放大器就會將調節器的輸出設置為所需的電平。

降壓轉換器

如上所述，與降壓轉換器相比，LDO最好，因為它們都是降壓組件。任何開關轉換器的目標都很簡單：通過使用開關元件調制輸送到負載的電流和電壓來產生穩定但可調節的輸出電壓。這通常是由PWM信號驅動的功率MOSFET，盡管更大的穩壓器（例如諧振LLC轉換器）可能會并聯使用多個MOSFET來提供高電流輸出。在任何情況下，所有降壓調節器都會抑制輸入電壓的低頻變化，但由于MOSFET的開關作用，輸出會產生一些高頻噪聲，這在仿真中可以清楚地看出。

比較

那么什么時候應該使用這些調節器呢？它們都在清除噪聲的同時將DC電壓降低到一個有用的水平，因此它們不應該互換嗎？實際上，它們有時是可互換的，但這取決于您所需的功率水平和電源的特性。下表總結了這些電路的每種類型的一些不同方面及其優勢。

這張表上有很多事情要做，但是我會盡力在這里總結幾點。

LDO是開關穩壓器的低噪聲替代品。它們的布局更簡單，成本也更低。

有時會在開關穩壓器的下游使用LDO，以將電壓進一步降低至低電平。實際上，某些開關調節器組件在輸出端包括一個LDO；而在輸出端則包括一個LDO。

開關穩壓器可提供非常精確的電壓控制，僅需調整PWM驅動頻率即可。在LDO中，控制是被動的。

LDO和開關穩壓器的PCB布局

這是一個相當深入的主題，因為PCB布局部分可以專注于穩壓器電路，電源總線和下游負載。我更喜歡遵循兩個準則：

請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。在高電流下工作時，不要害怕使用多邊形澆注。

保持較小的環路電感。這意味著使組件彼此靠近并找出PCB中的返回路徑，以確保不會造成EMI問題。

下圖應說明我的意思。此布局適用于工作在3 MHz的開關穩壓器。您會注意到，關鍵部分，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，因此我們更加擔心EMI的接收。

開關穩壓器的PCB布局示例。這些原則也適用于LDO。

在LDO或開關轉換器的應用筆記中，您經常會看到布局示例。這些時要小心；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。應用筆記中的這些EMI問題通常起因于返回路徑定義不當或無法創建具有低環路電感的緊湊型布局。