科普課堂|關(guān)于DC/DC和LDO的原理詳解

眾所周知，電子設(shè)備能夠正常啟動(dòng)的首要前提就是需要有一個(gè)合適、穩(wěn)定、可靠的電源供電。

嵌入式開發(fā)板中除核心板外，底板上也需要電源為器件以及連接的外圍設(shè)備進(jìn)行供電，例如：外接的 U 盤，攝像頭等。底板上的器件種類較多,所需要的供電電壓也不同，常用的供電電壓有：12V、5V、3.3V、1.5V 等。特別提醒，在最小系統(tǒng)板上5V與3.3V電源扮演關(guān)鍵角色，它們經(jīng)由高性能DC/DC轉(zhuǎn)換芯片MP2147GD精準(zhǔn)輸出。

在嵌入式技術(shù)領(lǐng)域兩種主流的電壓調(diào)節(jié)技術(shù)是LDO（線性穩(wěn)壓器）與DC/DC轉(zhuǎn)換器。DC/DC轉(zhuǎn)換技術(shù)尤其靈活，涵蓋降壓(buck)、升壓(boost)及升降壓(buck-boost)等多種電路結(jié)構(gòu)，適應(yīng)廣泛的應(yīng)用場景。針對不同的功率需求，DC/DC轉(zhuǎn)換器采納PWM（脈沖寬度調(diào)制）、PFM（脈沖頻率調(diào)制）或混合PWM/PFM控制策略，其中PWM確保高效率與優(yōu)良的輸出穩(wěn)定性，PFM在輕載下能效卓越，而混合模式則智能地結(jié)合兩者優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)能效與輸出質(zhì)量的最優(yōu)化。

接下來，將和各位小伙伴深入探討DC/DC轉(zhuǎn)換器與LDO的具體工作原理，方便大家全面理解兩者的優(yōu)勢與局限。

各器件的關(guān)鍵特性概述

1、電容有阻礙電壓突變的特性，所以可以儲(chǔ)存和釋放電能，且極性不變；

2、開關(guān)MOS管可以等效為開關(guān)，可以斷開和導(dǎo)通連接；

3、二極管具有單項(xiàng)導(dǎo)通特性；

4、電感有阻礙電流突變的特性，因此也可以儲(chǔ)存電能，但充放電時(shí)極性相反。

那接下來分析一下這套電路是如何實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換功能的：

當(dāng)開關(guān)管Q1導(dǎo)通時(shí)，電流經(jīng)Q1，L1，R1形成回路，此過程中會(huì)給電感和輸出電容Cout充電，并且D1是不導(dǎo)通的。

當(dāng)開關(guān)管Q1斷開時(shí)，由于電感有阻礙電流突變的特性，電流經(jīng)過R1、D1形成回路，此過程電容和電感會(huì)為負(fù)載進(jìn)行供電；如此循環(huán)往復(fù)，Vout會(huì)輸出一個(gè)穩(wěn)定電壓。

為了控制輸出電壓值，需要對輸出電壓進(jìn)行采樣，當(dāng)輸出高于所需電壓時(shí)開關(guān)管斷開，反之開關(guān)管導(dǎo)通。因此可以看出，控制輸出電壓值的其實(shí)是開關(guān)管的開關(guān)時(shí)間，即控制信號(hào)的占空比而非開關(guān)頻率。

同步BUCK與異步BUCK電路

上圖為DC/DC-BOOST型電路的典型電路原理，其中包括的器件有：輸入電容Cin、電感L1、開關(guān)MOS管Q1、二極管D1、輸出電容Cout以及負(fù)載R1。

那接下來先分析一下這套電路是如何實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換功能的：

當(dāng)開關(guān)管Q1導(dǎo)通時(shí)，電流經(jīng)L1，Q1形成回路，此過程中會(huì)給電感充電，并且由于開關(guān)管的導(dǎo)通，D1是是被短路的。

當(dāng)開關(guān)管Q1斷開時(shí)，回路消失，二極管D1導(dǎo)通，電流經(jīng)過負(fù)載R1形成新的回路，此過程電源和電感會(huì)為負(fù)載進(jìn)行供電，同時(shí)給輸出電容Cout充電；由此可以看出，由于電感存儲(chǔ)的電能是與電源進(jìn)行了串聯(lián)，所以實(shí)現(xiàn)了電壓的升壓。如此循環(huán)往復(fù)，Vout會(huì)輸出一個(gè)穩(wěn)定電壓。

同樣的，為了控制輸出電壓值，需要對輸出電壓進(jìn)行采樣，通過采樣電壓來控制MOS管的通斷，來保證輸出電源的穩(wěn)定。當(dāng)然，控制電壓的依然是控制信號(hào)的占空比而非頻率。