开关电源(DC-DC)与LDO电源的区别---原理

本文探讨了LDO电源和开关电源在PCB设计中的应用差异。介绍了LDO电源的基本结构与工作原理,并通过比喻形象地说明了其与开关电源的不同之处。

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从本篇开始,我们来谈谈开关电源和LDO电源的一些原理上,指标上的区别对比,目的是分析它们之间的优缺点,从而找到如何在PCB设计上更好的进行选择使用。本来本人是想从直流电源的种类的选择进行切入,查阅了不少资料,发现对直流电源的分类不太明确,按类型分,按电路结构分,按拓扑分都不太一样。有的把它分为线性型,开关型,可控硅整流型和感应型;有的又把它分为化学电源,线性稳压电源和开关型稳压电源,有的分类干脆就分两种,线性型和开关型。

回到我们熟悉的PCB中,大的分类就比较明确了,主要有线性电源和开关电源,其中线性电源主要使用LDO电源,开关电源就是我们通常说的DC-DC电源。其实严谨来说,线性电源不能等同于LDO电源,LDO电源只是线性电源的其中一种,只不过它具有比较低的调整管压差而得名。

前面的文章有提过开关电源的一些原理,因此在讲它们的区别之前,觉得应该补充下LDO的原理,然后才能进行下面的对比。

LDO,low dropout regulator,中文是低压差线性稳压器,它内部的一般结构如下图:

 
用到的元器件也比较简单,一个串联调整管VT,两个分压电阻R1,R2,放大器A,基准电压REF部分,然后就可以把输入和输出连接起来,由R1和R2分压得到的放大器的同相输入端电压为取样电压,放大器反相输入端电压为一个基准电压,放大器的输出用来驱动调整管,调整管的输入输出连接输入输出电压。

然后它是怎么进行稳压的呢,我们对它的工作原理进行描述下:

当输出电压Uout下降时,由R1和R2分压的取样电压(即放大器的同相输入端电压)下降,因此放大器的输出驱动电流增加,从而导致串联调整管的压降减小,即Uin-Uout减小,最终使Uout电压上升。当输出电压Uout上升时同理。

如果你们觉得关于开关电源和LDO的原理描述还过于复杂的话,本人还特地画了以下这个模型进行比喻(画得不太好看,请多多见谅哈)。

我们把输入电压比喻成一个大的水龙头,我们的目的是从这个大的水龙头(输入电压)中接取小的水流(输出电压),我们有以下两种方式去完成。
  
左边的方式是我们加个水阀,把水阀开到一个我们需要的位置,把这个位置固定,然后让水龙头流出我们需要的水流大小;或者我们脑洞可以开得大一点,用右边的方法,我们通过不断的把水龙头全开全关,这样其实也能得到连续的水流,前提是我们开和关的速度要快些,不然水流会断,然后通过开和关的时间的比例也能控制水流的大小。这其实就是LDO和DC-DC电源工作原理的主要区别。

本书系统论述DC-DC高频开关电源的工作原理工程设计方法。主要包括:PWM变换器和软开关PWM变换器的电路拓扑、原理、控制、动态分析及稳定校正;功率开关元件MOSFET、IGBT的特性及应用;智能功率开关变换器的原理应用;磁性元件的特性设计计算方法;开关电源中有源功率因数校正;同步整流并联均流等技术;PWM开关电源的可靠稳定性制作问题;开关电源的数字仿真方法、计算机辅助优化设计和最优控制方法等。   本书系统论述DC- DC高频开关电源工作原理工程设计方法。内容包括PWM变换器和软开关PWM变换器的电路拓扑、原理控制及动态分析等;功率MOSFET、ICBT、MCT等功率半导体器件的特性应用;集成控制电路;磁元件特性设计计算方法;开关电源中有源功率因数校正,同步整流并联均流等技术。PWM开关电源的设计有关制造问题;开关电源的数字仿真方法,计算机辅助优化设计和最优控制方法,并附有计算实例。本书内容丰富、新颖、深入浅出。编著者力图反映90年代中期国内外工程界学术界在高频开关电源方面的进展和所取得的研究成果。   本书可作为高校有关专业师生和研究生的教材或参考书,也可作为电气电子工程师们继续教育,职业教育的培训教材,以及在进行开关电源的工程设计和开发工作时的参考书。   电源有如人体的心脏,是所有电设备的动力。但电源却不像心脏那样形式单一。因为,标志电源特性的参数有功率、电压、频率、噪声及带载时参数的变化等等;在同-参数要求下,又有体积、重量形态、效率、可靠性等指标,人可按此去“塑造”和完美电源,因此电源的形式是极多的。本书重点介绍开关电源原理及其设计方法。   一般电力(如市电)要经过转换才能符合使用的需要。转换例子有;交流转换成直流,高电压变成低电压,大功率中取小功率等等。这一过程有人形象地说成:粗电炼为精电。炼为精电后才好使用。   按电力电子的习惯称谓,AC-DC(理解成AC转换成DC,其中AC表示交流电,DC表示直流电)称为整流(包括整流及离线式变换),DC- AC称为逆变,AC- AC称为交流-交流直接变频(同时也变压),DC-DC称为直流-直流变换。为达到转换目的,手段是多样的。六十年代前,研发了半导体器件,并用此器件为主实现这些转换。电力电子学科从此形成并有了近三十年的迅速发展。所以,广义地说,凡用半导体功率器件作为开关,将一种电源形态转变成为另一形态的主电路都叫做开关变换器电路;转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节则称开关电源( Switching Power Supply)。开关电源主要组成部分是DC- DC变换器,因为它是转换的核心,涉及频率变换,目前DC-DC变换中所用的频率提高最快。它在提高频率中碰到的开关过程、损失机制,为提高效率而采用的方法,也可为其它转换方法参考。   值得指出,常见到离线式开关变换器(off-lineSwitchingConverter)名称,是AC-DC变换,也常称开关整流器;它不单是整流的意义,而且整流后又作了DC- DC变换。所说离线并不是变换器市电线路无关的意思,只是变换器中因有高频变压器隔离,故称离线。
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