道高一尺魔高一丈,DCDC和LDO谁更强?

  1. 稳压经典电路

我们制作的数字电路一般都需要一个稳定的直流电源才能工作,获得直流电源主要通过两种途径:(1)从220V市电经过变换得到低压直流;(2)从电池经过稳压电路获取。

 如何从220V市电转换为我们常用的5V,3.3V等直流电源,下面是一种经典电路。用变压器先把220V交流变为9V左右的交流,再通过整流桥整成脉动直流,经电容滤波后变为9V直流。U1为直流电压转换芯片,如LM7805把9V降为5V工作电压。

如果从电池取电,需要把电池串联得到大于7V的电压,加到LM7805的输入端。因为LM7805有个参数叫Drop out,一般为2V。输入输出的差值应该大于Drop out。

这种电路的核心LM7805是一种线性稳压器(Linear Regulator),它里面集成的晶体管工作在放大区,输出端的电压可以立刻反馈到输入电路,所以输出电压很稳定,噪声很小,在几十微伏的样子。

它的缺点也很明显,就是效率低。我们可以简单算一下,输入电压减去输出电压,再乘以工作电流,很大功率在稳压器上白白浪费掉了。另外我们知道工作频率越低,需要的电感越大。前端的工频变压器工作在50Hz,体积也是比较大的。下图是一个输出9V/400mA的电源。

晚些推出的低压差稳压器(Low Drop Out),致力于降低输入输出最小压差,比如LM1117的Dropout 为1.2V, TLV1117LV可以低至几百毫伏。在效率上有所提升。但总体来说以上这些电路效率还是偏低的,一般在50 – 70%之间。

有没有办法提升效率呢?我们先来看一个问题。

假如有一座水库,我们要用水库的水浇灌下游的农田,最开始想到的自然是挖一条水渠引入农田,然后派一个人一边看农田里水的情况,一边不断地调整水闸高低来控制水流。这个人就要一直耗在这儿了。怎么能偷点懒呢?是不是可以在下游修个蓄水池,一次性把水池注满就关闸走人,过1个小时估计蓄水池的水快流完了再回来操作一次?对,通过这种方式可以把效率大幅提高。

我们来看一下这个灌溉工程我们还需要注意什么。如果开闸时间过长会怎么样?对,水会从蓄水池里溢出来。如果开闸时间过短呢,蓄水池里的水会流光。那我们就要根据蓄水池里的水消耗的速度来控制每一次开闸的时间,使流入水池里的水量和流出水池里的水量相等,这个工程就可以一直稳定的运行下去。

开关电源的原理也是类似的。它使用开关管间歇性的把电流从输入传到输出。那么谁充当接收电流和释放电流的蓄水池呢?这就用到了电感这种有储能作用的元器件。同样我们也需要合理的控制开关的开通时间(导通比),来使电路达到一个平衡稳定的工作状态。

  1. 电感充放电之伏秒平衡

如图所示电路,当开关S闭合时,电感L中的电流增加,开关断开时,电感L中的电流减少。当电感充放电达到稳态时,一个开关周期内电感的电流变化量最终为零,即开关导通时通过电感的电流增加量(ΔION)和开关断开时电感的电流减少量(ΔIOFF)是相等的。

ΔION=ΔIOFF

由电感的电压公式 V = L * di/dt = L * ΔI/ ΔT

也即 V * ΔT = L * ΔI

充电时间内 VON *ΔTON = L * ΔION

放电时间内VOFF *ΔTOFF = L * ΔIOFF

在充放电达到平衡状态时ΔION = ΔTOFF

所以VON *ΔTON = VOFF * ΔTOFF

即:充电时电感两端电压 * 充电时间 = 放电时电感两端电压 * 放电时间

下面我们来分析用于电压变换的一些基本电路Buck, Boost, Buck/Boost。这些电路都有一个周期性工作的开关(实际电路中使用三极管,或场效应管),把电流从输入传入输出端。

  1. Buck 电路

设电路中开关S 的工作周期为T,在接通时间为Ton,断开时间为 Toff 的状态下达到平衡。

开关S接通时间内,电感L上的伏秒积:

VLon * Ton = (Vin – Vout) * Ton

开关S断开时间内,电感L上的伏秒积:

VLoff * Toff = Vout * Toff

根据伏秒平衡原理:

VLon * Ton = VLoff * Toff     既:(Vin – Vout) * Ton = Vout * Toff

可推导出:Vout = Vin * [Ton / (Ton + Toff)] = Vin * (Ton / T)

Buck电路有降压的作用,输出电压和开关的导通时间成正比。

  1. Boost电路

开关S接通时间内,电感L上的伏秒积:

VLon * Ton = Vin * Ton

开关S断开时间内,电感L上的伏秒积:

VLoff * Toff = (Vout – Vin)* Toff

根据伏秒平衡原理可推导出:

Vout = Vin / (1 – Ton / T) = Vin * T / Toff

Boost电路有升压的作用,输出电压与开关管关断时间成反比。

  1. Buck/Boost电路

开关S接通时间内,电感L上的伏秒积:

VLon * Ton = Vin * Ton

开关S断开时间内,电感L上的伏秒积:

VLoff * Toff = -Vout * Toff

根据伏秒平衡原理可推导出:

Vout = – Vin * (Ton / Toff)

既可以升压,又可以降压。

  1. 开关电路的应用

需要注意以上分析都是基于电感电流一直是在连续的状态,实际还可能出现电感电流不连续的情况,既电感在下一次充电前电流已经下降为0,在此我们暂不讨论。大家只要知道上面的基本原理就可以理解开关稳压器和线性稳压器的本质区别了。也就可以理解为什么开关型的稳压器总要有电感。而且稳压器的开关频率越高,就可以使用体积更小的电感。就如同用一个蓄水池浇地,体积越小的蓄水池,就需要更频繁地去蓄水和放水。也可以从电感的阻抗公式 Z = jwl来理解,如果想得到同样的阻抗,频率越高,则需要的电感越小。

开关型稳压器因为浪费的能量很小,所以效率很高,市场上可以看到不少效率90%以上的DC/DC。 现在大家约定俗成的把这种开关型的稳压器叫DC/DC,把低压差线性稳压器叫LDO,其实LDO也是把一种直流(Direct Current)转换为另一种直流电压。 DC/DC 有很高的效率,但也有其自身的缺点。由于它的开关管不停的接通和断开,电路中存在比较大的高频脉动电流,所以它的输出端噪声比LDO大得多,一般在几十到上百毫伏,是LDO的上千倍。为了滤除这种高频噪声,输出端的滤波电容选取很关键。

回到最开始的220V取电的经典电路,我们如何能提高一下效率呢?

对,我们可以先把220V电压用大功率的整流管和高耐压的滤波电容转换为高压直流,之后就可以用体积小的变压器,通过开关电路把能量传递到变压器次级。下图是一个实际的220V转5V的变压器。我们可以看到变压器小了很多。

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