科普课堂|关于DC/DC和LDO的原理详解

众所周知，电子设备能够正常启动的首要前提就是需要有一个合适、稳定、可靠的电源供电。

 

嵌入式开发板中除核心板外，底板上也需要电源为器件以及连接的外围设备进行供电，例如：外接的 U 盘，摄像头等。底板上的器件种类较多,所需要的供电电压也不同，常用的供电电压有：12V、5V、3.3V、1.5V 等。特别提醒，在最小系统板上5V与3.3V电源扮演关键角色，它们经由高性能DC/DC转换芯片MP2147GD精准输出。

 

在嵌入式技术领域两种主流的电压调节技术是LDO（线性稳压器）与DC/DC转换器。DC/DC转换技术尤其灵活，涵盖降压(buck)、升压(boost)及升降压(buck-boost)等多种电路结构，适应广泛的应用场景。针对不同的功率需求，DC/DC转换器采纳PWM（脉冲宽度调制）、PFM（脉冲频率调制）或混合PWM/PFM控制策略，其中PWM确保高效率与优良的输出稳定性，PFM在轻载下能效卓越，而混合模式则智能地结合两者优势，实现能效与输出质量的最优化。

 

接下来，将和各位小伙伴深入探讨DC/DC转换器与LDO的具体工作原理，方便大家全面理解两者的优势与局限。

 

DC/DC-BUCK型电路

如下图展示，此为一个标准DC/DC-BUCK转换电路的结构概览。该电路核心元件包括：输入电容Cin、开关MOS管Q1、二极管D1、电感L1、输出电容Cout以及负载R1。

 

各器件的关键特性概述

1、电容有阻碍电压突变的特性，所以可以储存和释放电能，且极性不变；

2、开关MOS管可以等效为开关，可以断开和导通连接；

3、二极管具有单项导通特性；

4、电感有阻碍电流突变的特性，因此也可以储存电能，但充放电时极性相反。

 

那接下来分析一下这套电路是如何实现电压转换功能的：

当开关管Q1导通时，电流经Q1，L1，R1形成回路，此过程中会给电感和输出电容Cout充电，并且D1是不导通的。

 

当开关管Q1断开时，由于电感有阻碍电流突变的特性，电流经过R1、D1形成回路，此过程电容和电感会为负载进行供电；如此循环往复，Vout会输出一个稳定电压。

 

为了控制输出电压值，需要对输出电压进行采样，当输出高于所需电压时开关管断开，反之开关管导通。因此可以看出，控制输出电压值的其实是开关管的开关时间，即控制信号的占空比而非开关频率。

同步BUCK与异步BUCK电路

 

以上两图均描绘了DC/DC降压转换器的电路原理，其差异在于下图以第二个开关管Q2替换了上图中的二极管D1。值得注意的是Q1和Q2不会同时导通。尽管两张图基本工作原理相似，但下图通过采用开关管而非二极管，显著降低了功耗，我们称此为同步DC/DC转换电路。相反，使用二极管的传统设计被称为异步DC/DC转换电路。

 

简言之，异步DC/DC转换器因设计简易而门槛较低，但同步DC/DC转换器凭借更高的效率展现出明显优势。这一改变，实质上是从二极管的被动放电路径迈向了更为高效的开关控制，从而优化了能源利用。

 

DC/DC:BOOST 升压

 

上图为DC/DC-BOOST型电路的典型电路原理，其中包括的器件有：输入电容Cin、电感L1、开关MOS管Q1、二极管D1、输出电容Cout以及负载R1。

 

那接下来先分析一下这套电路是如何实现电压转换功能的：

 

当开关管Q1导通时，电流经L1，Q1形成回路，此过程中会给电感充电，并且由于开关管的导通，D1是是被短路的。

 

当开关管Q1断开时，回路消失，二极管D1导通，电流经过负载R1形成新的回路，此过程电源和电感会为负载进行供电，同时给输出电容Cout充电；由此可以看出，由于电感存储的电能是与电源进行了串联，所以实现了电压的升压。如此循环往复，Vout会输出一个稳定电压。

 

同样的，为了控制输出电压值，需要对输出电压进行采样，通过采样电压来控制MOS管的通断，来保证输出电源的稳定。当然，控制电压的依然是控制信号的占空比而非频率。

BOOST电路也存在同步和异步的差异，因为优缺点和之前的BUCK电路相同。

 

DC/DC:BUCK-BOOST

这两张图的原理相近，将Q4设置为常闭，Q3设置为常开，就成了上面的原理图，这个就是典型的同步BUCK电路；同理将Q1设置为常闭，Q2设置为常开，这就是一个典型的BOOST电路。所以知道了基本原理，是可以把复杂的问题简单化的。

 

LDO

LDO，即低压差线性稳压器，为了方便大家理解，暂时把LDO简单的理解为电阻分压。由于是电阻分压实现的电压转换，那一些缺点也就显而易见了。比如LDO是不可以用在升压电路的，原理等同于电阻分压，当电流越大时，电阻R1上所消耗的功耗也会越大，而这一部分消耗，是完全用不到的。因此，LDO普遍的功率都不高。

 

总结

LDO(low dropout regulator)是“低压差线性稳压器”的简称，低压差是指输入电压和输出电压之间的压差较低。在 LDO 内部通过 Pmos、误差放大器、电压基准源、保护电路等结构组成实现线性稳压功能。结合上述内容，LDO 的特点也就是效率低，但纹波小，成本低。

 

DC/DC 是直流-直流电压变换器，用于电源电路中的电压变换。DC/DC 转换器的工作原理是通过开关管的开关动作，周期性地将输入电能传输到能量存储元件中，然后再从能量存储元件中释放输出电能。通过调整开关管的导通和截止时间，可以控制直流电能在能量存储元件中的流动和输出电压的大小。DC/DC 的优点是效率高，电压范围宽，可以做到较大跨度的电压变换，但是DC/DC 的输出纹波较大而且成本较高。

 

洞悉了DC/DC转换器与LDO的运作机理及其各自的长短处后，衷心期待每位小伙伴在嵌入式技术的实践道路上满载而归，实现知识与技能的双重丰收。