从效率中谈电源LDO和DC的选用原则

随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入 80 年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入 90 年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。

开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。

1、线性稳压器，所谓线性稳压器，也就是我们俗话说的 LDO。其特点是传输元件工作在线性区，它没有开关的跳变；仅限于降压转换，很少会看到升压的应用。

2、开关稳压器,即重复切换“开”和“关”状态，与能量存贮部件（电容器和感应器）一起产生输出电压。它的调整是通过根据输出电压的反馈样本来调整切换定时来实现的。其特点是传输器件开关(场效应管)，在每个周期完全接通和完全切断的状态；里面至少包括一个电能储能的元件，如：电感器或者电容器；多种拓扑（降压、升压、降压-升压等）。

3、为什么有些情况要选择开关稳压器或者为什么不用LDO?

我们知道，所有的能量都不会凭空消失，损耗的能量最终会以热的形式传递出去，这样，工程师在设计中就会产生很大的挑战，比如说，损耗最终以热的形式传递，那么电路中就需要增加更大的散热片，结果电源的体积就变大了，而且整机的效率也很低。如果在开关模式的开关电源，不仅可以提高效率，还可以降低了热管理的设计难度。

下面举一个例子来对比线性电源和开关电源的效率和体积：

A、线性稳压器的效率及功率损耗：

根据上图我们可以计算出它的最大输出效率为：

它的功率损耗为：

B、开关稳压器的效率及功率损耗：

根据上图我们可以计算出它的最大输出效率为：

它的功率损耗为：

从它们的效率来看，一个 12V 输入，3.3V/2A 输出的电源，如果用线性稳压器来实现的话，它输出效率只有 28%，而用开关电源来做的话，它的输出效率能达到 90%以上。

所以线性电源在高输入电压，低输出电压的情况下的效率是非常的低，它只适用于一些输入和输出的压差比较低的场合。像这些情况下使用开关电源的优势是显而易见的。

线性稳压器的损耗为 17.4W，开关稳压器的损耗只有 0.73W，这些损耗最终会以热量的形式传递出去，器件的工作温度=器件温升+环境温度，温升=热阻 × 损耗的情况下：假如器件的热阻 θ=35℃/W来计算，LDO 的温升=35℃ ×17.4W=609℃，开关稳压器温升=35℃ ×0.73W=25.55℃。

可见，开关稳压器可以工作在 60~70℃的环境温度也是没问题的，而 LDO 在这种情况下，发热非常严重，必须得降低它的热阻，而热阻的大小就取决于散热面积，散热面积越大，热阻就越小，所以 LDO 需要很大的散热面积(如下图)，来减少它的热阻以获得较低的温升。

上图红色标注的地方分别是一个 2.5W 的 LDO 和一个 6W 的开关电源，两者功率相差 2.4倍，但开关电源的面积仅是 LDO 的 1/3 不到，也就是说开关电源的损耗大大减少了，能够承受更高的热阻，减少散热的面积。

如果说输入与输出之间压差较低的情况下，可以使用 LDO，但压差较大的情况下，建议使用开关电源。当然，开关电源也有它的劣势，它的输出会有噪声、振铃、跳变，而 LDO 则不会。某些场合的负载对电源的电压是很敏感的话，可以在开关电源后面载加一级 LDO。

如我们要把 5V 转为 1.2V ，如果直接有 LDO 的话，效率可能只有 20%，但我们可以把 5V 用开关电源变为 1.5V，再用 LDO 把 1.5V 转为 1.2V，这样，效率就会高，是一个比较优化的设计。