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在PCB中使用LDO与开关稳压器
在PCB中使用LDO与开关稳压器
尽我们所能，我们提供给电子设备的电源并不总是稳定的。实际电源中包含噪声，它们可能表现出电源不稳定，或者它们会意外掉线。值得庆幸的是，我们有电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。您可以在电源总线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每种类型的稳压器，那么就知道，除了简单地查看输入/输出电压/电流之外，这个决定还有更多的内容。继续阅读以了解更多有关为低功耗设计选择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
在使用这些类型的电源调节器进行组件布置和布局之前，最好先提醒一下这些电路的工作原理。LDO是降压线性DC-DC电压转换器，因此与降压转换器相比，它最好。也有电阻线性稳压器，或使用晶体管的串联和并联稳压器，但由于它们在PCB的电源总线上不经常使用，因此我暂时不讲这些。
低压降稳压器（LDO）
LDO是基于运放的线性稳压器。该电路通过将调节器输出与反馈环路内的基准电压（输出约为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，在此图中使用了NPN晶体管，但通常会在实际电路中找到MOSFET。
LDO电路图
LDO中的净空
LDO具有一定的“裕量”，也称为压差电压，该压差是标称输出以上的小电压，用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电压。分压器用于降低输入电压，以便运算放大器可以将其与参考电压（V-Ref）进行比较。除非您要使用分立元件构建LDO，否则无需担心设置运算放大器电路和选择R1 / R2的麻烦。这些都集成到组件中。
最后，C1和C2是分别清除输入和输出电压的滤波电容器。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。只要输入电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为所需的电平。
降压转换器
如上所述，与降压转换器相比，LDO最好，因为它们都是降压组件。任何开关转换器的目标都很简单：通过使用开关元件调制输送到负载的电流和电压来产生稳定但可调节的输出电压。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）可能会并联使用多个MOSFET来提供高电流输出。在任何情况下，所有降压调节器都会抑制输入电压的低频变化，但由于MOSFET的开关作用，输出会产生一些高频噪声，这在仿真中可以清楚地看出。
比较
那么什么时候应该使用这些调节器呢？它们都在清除噪声的同时将DC电压降低到一个有用的水平，因此它们不应该互换吗？实际上，它们有时是可互换的，但这取决于您所需的功率水平和电源的特性。下表总结了这些电路的每种类型的一些不同方面及其优势。
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我愿意 |
降压转换器 |
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复杂 |
可作为单个集成组件 |
通常带有集成开关，但需要外部电感器 |
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稳定性和控制性 |
反馈已集成到设备中，仅提供电压控制 |
这些通常包括一个反馈引脚，用于测量和调整输出电压和/或电流 |
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噪音特性 |
只要输入电压始终高于裕量，就可以高度抵抗低电平噪声 |
输出噪声包括纹波和开关噪声。 |
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PSRR |
高，通常约为-60 dB |
随着电感器尺寸的变化，经过足够的滤波，可以小于1％ |
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效率 |
当输入高于压差电压时降低 |
只要在连续模式下运行，始终为高（〜95％） |
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输入类型 |
最好在预期输入电压会随着时间降低的情况下使用 |
当预期输入电压随时间随机变化时最适合使用，但这需要具有PWM调节功能的反馈环路 |
这张表上有很多事情要做，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。
有时会在开关稳压器的下游使用LDO，以将电压进一步降低至低电平。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。
开关稳压器可提供非常精确的电压控制，仅需调整PWM驱动频率即可。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，因为PCB布局部分可以专注于稳压器电路，电源总线和下游负载。我更喜欢遵循两个准则：
请注意支持所需电流所需的走线宽度，使IR压降保持较低以及将温度保持在安全范围内。在高电流下工作时，不要害怕使用多边形浇注。
保持较小的环路电感。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。此布局适用于工作在3 MHz的开关稳压器。您会注意到，关键部分，即由L2和滤清器盖形成的回路，具有一条返回附近地面的紧凑圆形返回路径。这有助于确保低辐射的EMI发射和接收。相同的原理将适用于LDO，尽管在这种情况下，由于没有开关，因此我们更加担心EMI的接收。
开关稳压器的PCB布局示例。这些原则也适用于LDO。
在LDO或开关转换器的应用笔记中，您经常会看到布局示例。这些时要小心；它们可能适合处理电流，但它们的布局中可能隐藏着EMI问题。应用笔记中的这些EMI问题通常起因于返回路径定义不当或无法创建具有低环路电感的紧凑型布局。