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一、什么是LDO?
LDO即Low Dropout Regulator,是一種低壓差線性穩(wěn)壓器。這是相對于傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器來說的。傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器,如78XX系列的芯片都要求輸入電壓要比輸出電壓至少高出2V~3V,否則就不能正常工作。
但是在一些情況下,這樣的條件顯然是太苛刻了,如5V轉(zhuǎn)3.3V,輸入與輸出之間的壓差只有1.7V,顯然這是不滿足傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器的工作條件的。針對這種情況,芯片制造商們研發(fā)出了LDO類的電壓轉(zhuǎn)換芯片。
AM1117
有低壓差功能的線性穩(wěn)壓器,常見的AMS1117
,輸入輸出的最小壓差就是1.2V,也就是說如果你想用AMS1117輸出一個(gè)幅值為3.3V的電壓,那么你的輸入電壓至少要大于4.5V,否則不能輸出3.3V電壓。
而另一個(gè)常見的LDO芯片7805,輸入輸出的最小壓差就是2V,也就是說如果你想用LM7805
輸出一個(gè)幅值為5V的電壓,那么你的輸入電壓至少要大于7V,否則不能輸出5V電壓。這樣你講你是不是就會(huì)明白很多了!
低壓差線性穩(wěn)壓器,故名思意為線性的穩(wěn)壓器,僅能使用在降壓應(yīng)用中,也就是輸出電壓必需小于輸入電壓。優(yōu)點(diǎn):穩(wěn)定性好,負(fù)載響應(yīng)快,輸出紋波小。缺點(diǎn):效率低,且輸入輸出的電壓差不能太大,負(fù)載不能太大,目前最大的LDO為5A,但要保證5A的輸出還有很多的限制條件。
LDO的原理
LDO線性穩(wěn)壓器它的內(nèi)部其實(shí)就相當(dāng)于一個(gè)滑動(dòng)變阻器,當(dāng)芯片輸出電壓高于設(shè)定值時(shí),會(huì)增大滑動(dòng)變阻器的值,當(dāng)當(dāng)芯片輸出電壓低于設(shè)定值時(shí),會(huì)減小滑動(dòng)變阻器的值,如下圖所示:
既然它的內(nèi)部是一個(gè)滑動(dòng)變阻器,那么就注定了它的發(fā)熱量比較大,至少是比DC-DC芯片發(fā)熱量大,因?yàn)镈C-DC內(nèi)部是一個(gè)“開關(guān)”。
LDO為什么會(huì)發(fā)熱?
LDO線性穩(wěn)壓器它的內(nèi)部既然相當(dāng)于一個(gè)滑動(dòng)變阻器,輸入和輸出的壓差損耗全部被電阻轉(zhuǎn)化成熱能給消耗了,當(dāng)然會(huì)發(fā)熱。而芯片的功耗:U*I=(Uout-Uin)*Iout
。
假如我們使用一個(gè)降壓芯片LM7805輸入12V,輸出5V/1A,那么芯片的功耗就是(12V-5V)*1A=7W
。其實(shí)這個(gè)7W的功率相當(dāng)于一個(gè)小型的電烙鐵了。
二、什么是DC-DC?
DC-DC是一種新研制的小型化電源開關(guān)模塊,它是采用微電子技術(shù),把小型表面安裝集成電路與微型電子元器件組裝成一體而構(gòu)成。
有利于簡化電源電路設(shè)計(jì)縮短研制周期,實(shí)現(xiàn)最佳指標(biāo),廣泛應(yīng)用于各類數(shù)字儀表和智能儀器中。這是百度百科的解釋,聽起來概念有點(diǎn)不清。
在嵌入式開發(fā)中我們會(huì)不僅會(huì)接觸到LDO電路,還會(huì)接觸到DCDC開關(guān)穩(wěn)壓器。
在哪里會(huì)遇到了?你的開發(fā)板肯定會(huì)接電源對吧,而這個(gè)電源肯定一般都是外接一個(gè)電源適配器12V對吧?
而你的芯片一般是5V或者3.3V電源功能對吧?
那么你是不是需要將12V電源裝換成3.3V電壓啊?這時(shí)你肯定會(huì)想到使用前面的LDO芯片來降壓,對吧?
但是我們又說了LDO是有低壓差功能的線性穩(wěn)壓器,12V轉(zhuǎn)5V他們之間有7V的壓降,這個(gè)感覺是不是有一點(diǎn)不合適?。考偃缡荓DO,輸入電流為1A,7W的壓降功率全部給內(nèi)部電阻發(fā)熱了,那電路板你還敢用嗎?
是的,如果你思考到這,下面就好說了,這時(shí),聰明的人類就發(fā)明了DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器,所以你發(fā)現(xiàn)在你的開發(fā)板上只要是12V轉(zhuǎn)5V的芯片全部用的都是DC-DC降壓轉(zhuǎn)換芯片。
口說無憑,下面來看看幾張?jiān)韴D:
MP2359 DC-DC降壓芯片
那么聰明的你有沒有想過為什么他們12V轉(zhuǎn)5V都使用DC-DC,僅僅是因?yàn)榘l(fā)熱量低嗎?
是的,但這時(shí)其中的一點(diǎn),DC-DC穩(wěn)壓器的優(yōu)點(diǎn)還不止這一點(diǎn),還有一點(diǎn)就是DC-DC效率非常高,可高達(dá)95%。為啥DC-DC的發(fā)熱量低、效率高呢?這就要說一下DC-DC的芯片的原理了。
DCDC的原理
DCDC開關(guān)穩(wěn)壓器它的內(nèi)部其實(shí)就相當(dāng)于一個(gè)開關(guān),當(dāng)芯片輸出電壓高于設(shè)定值時(shí),開關(guān)閉合的時(shí)間就短一點(diǎn),當(dāng)芯片輸出電壓低于設(shè)定值時(shí),開關(guān)閉合的時(shí)間就長一點(diǎn),也就是我所說的PWM脈沖寬度調(diào)制,這樣就會(huì)涉及到一個(gè)參數(shù)叫做固定開關(guān)頻率,如下圖所示:
它的內(nèi)部既然是一個(gè)開關(guān)那么輸入電壓和輸出電壓之間相當(dāng)于一個(gè)開關(guān)隔開了,就不會(huì)自身發(fā)熱了啊,對吧。既然是一個(gè)開關(guān),我們使用MOS管,那么它的效率是不是就高了啊。所以不用去死記概念,把我這張圖記住就好了。一輩子都不會(huì)忘記。
效率大比拼
開關(guān)電源的效率都很高,一般大于80%,好一點(diǎn)的能達(dá)到95%。這怎么理解?
比如我需要給我的負(fù)載提供5V2A,也就是10W的功率,如果效率在80%,那么輸入的功率至少是10W/80%=12.5W,假如我們的輸入電壓是12V,那么我的輸入電流大概只需要12.5W/12V=1A的電流就可以了。
換一句話說就是我輸入只提供給芯片1A的電流,它就能帶動(dòng)2A的負(fù)載,那么是不是很強(qiáng)大,效率很高!
同樣的活如果讓我們的LDO線性穩(wěn)壓器來干,會(huì)怎么樣呢?
LDO的效率一般比較低,大概只有40%左右,這不是我說的,是芯片手冊說的。
對于LDO,比如我需要給我的負(fù)載提供5V2A,也就是10W的功率,效率在在40%的條件下,那么我輸入的功率至少是10W/40%=25W,假如我們的輸入電壓是12V,那么我的輸入電流就需要提供25W/12V=2A的電流。
換一句話說就是我需要輸入給芯片提供2A的電流,它才能帶動(dòng)2A的負(fù)載,這樣效率是不是就很低!
得出結(jié)論以及如何選型
這樣一來,在什么情況下采用哪種方案就一目了然了!
LDO DC-DC 適合低壓差小電流場景 適合高壓差大電流場景 紋波小 紋波大 效率低 效率高 發(fā)熱高 發(fā)熱低 電路簡單 電路復(fù)雜 靜態(tài)功耗低 靜態(tài)功耗高
三、實(shí)際電路應(yīng)用設(shè)計(jì)
說了這么多,那么我們的電路板到底使用LDO還是DC-DC呢?其實(shí)這兩者是配合使用,12V轉(zhuǎn)5V建議使用DC-DC,5V轉(zhuǎn)3.3V建議使用LDO??谡f無憑,還是看幾家板廠的開發(fā)板電源供電電路的實(shí)際情況吧!
12V轉(zhuǎn)5V
板廠 型號(hào) 芯片類型 某寶價(jià)格 正點(diǎn)原子 MP2359 DC-DC 7.1 RMB 野火 RT7272B DC-DC 5.5 RMB 安富萊 XL2596 DC-DC 1.3 RMB 韋老師 MP1495S DC-DC 1.3 RMB
5V轉(zhuǎn)3.3V
板廠 型號(hào) 芯片類型 某寶價(jià)格 正點(diǎn)原子 AMS1117 LDO 0.35 RMB 野火 AMS1086 LDO 1 RMB 安富萊 AMS1117 LDO 0.35 RMB 韋老師 MP2143DJ DC-DC 1.3 RMB
可以看到,12V轉(zhuǎn)5V幾家板廠都使用DC-DC,5V轉(zhuǎn)3.3V都使用LDO,只有韋東山大哥家5V轉(zhuǎn)3.3V使用的是DC-DC,當(dāng)然也可以,只要不差錢你都可以使用DC-DC,因?yàn)?strong style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; color: rgb(68, 17, 12);">DC-DC芯片肯定比LDO貴,而且電路也比LDO復(fù)雜,性能肯定要好很多。
下面來具體解析一下這幾家使用的芯片。
正點(diǎn)原子
正點(diǎn)原子的開發(fā)板電源芯片是MP2359
。MP2359是一種高效率,同步降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器,可提供高達(dá)1.2A的輸出電流,輸入電壓范圍4.5V至24V。
特點(diǎn):4.5V至24V輸入電壓范圍,1.2A輸出電流,固定工作頻率:1.4MHz??烧{(diào)輸出電壓從0.81V到15V,高效率高達(dá)92%。提供了快速瞬態(tài)響應(yīng)和簡化環(huán)路穩(wěn)定,故障狀態(tài)保護(hù)包括逐周期電流限制和熱關(guān)機(jī)。
下圖是開發(fā)板的電源供電部分原理圖
至于外圍電路為什么是這樣配置,在芯片的數(shù)據(jù)手冊已經(jīng)給出了典型的應(yīng)用電路,只要按照數(shù)據(jù)手冊給的典型電路配置就可以了。
野火
野火的開發(fā)板電源芯片是RT7272B
。RT7272B是一種高效率,電流模式同步降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器,可提供高達(dá)3A的輸出電流,輸入電壓范圍4.5V至36V。
特點(diǎn):4.5V至36V輸入電壓范圍,3A輸出電流,固定工作頻率:500kHz。可調(diào)輸出電壓從0.8V到30V,高效率高達(dá)95%。輸入欠壓鎖定、輸出欠壓保護(hù)、熱關(guān)斷保護(hù)、可調(diào)電流限制。
下圖是開發(fā)板的電源供電部分原理圖
同樣,至于外圍電路為什么是這樣配置,在芯片的數(shù)據(jù)手冊已經(jīng)給出了典型的應(yīng)用電路,只要按照數(shù)據(jù)手冊給的典型電路配置就可以了,不需要自己設(shè)計(jì)外圍電路。
安富萊
安富萊的開發(fā)板電源芯片是XL2596
。XL2596是一個(gè)150KHz的固定頻率PWM降壓DC/DC變換器,能夠驅(qū)動(dòng)一個(gè)3A的負(fù)載,提供高效率、低紋波和負(fù)載調(diào)整率。
特點(diǎn):輸入電壓范圍4.5V至40V,輸出電壓為3.3V, 5V,12V和可調(diào)版本。輸出可調(diào)從1.23V至37V,最大占空比100%。
下圖是開發(fā)板的電源供電部分原理圖
至于外圍電路為什么是這樣配置,在芯片的數(shù)據(jù)手冊也已經(jīng)給出了典型的應(yīng)用電路,只要按照數(shù)據(jù)手冊給的典型電路配置就可以了。
特點(diǎn):輸入電壓范圍4.5V至16V,輸出電壓為1V、1.2V、1.8V、2.5V、3.3V、5V和可調(diào)版本。
下圖開發(fā)板的電源供電部分原理圖
至于外圍電路為什么是這樣配置,在芯片的數(shù)據(jù)手冊已經(jīng)給出了典型的應(yīng)用電路,只要按照數(shù)據(jù)手冊給的典型電路配置就可以了。
總結(jié)(左滑可查看完整表格):
板廠 型號(hào) 芯片類型 輸入電壓 輸出電壓 最大輸出電流 正點(diǎn)原子 MP2359 DC-DC 4.5V-24V 0.81V - 15V 1.2A 野火 RT7272B DC-DC 4.5V-36V 0.8V - 30V 3A 安富萊 XL2596 DC-DC 4.5V-40V 1.23V - 37V 3A 韋老師 MP1495S DC-DC 4.5V-16V 0.8V-5V 3A
四、如何避免電路被燒壞?
搞嵌入式的免不了和硬件打交道,尤其是在做電源時(shí),經(jīng)??赡軙?huì)遇到芯片被燒毀,其實(shí)電路被燒毀無非就兩種情況:用電端燒毀的原因是電壓不對,一般是過高。供電端燒毀的原因是電流太大,一般是短路造成的。
比如一個(gè)電容的耐壓值是50V,那么當(dāng)你接入高于50V的點(diǎn)電壓是,電容可能會(huì)燒壞爆炸。又比如一個(gè)電源芯片的輸出電壓是5V,如果你的輸出接地,也就是短路了,(可能)會(huì)燒壞芯片。接地時(shí)輸出端與GND之間的電阻無窮小,輸出電壓一定那么輸出電流就會(huì)無窮大,就會(huì)燒壞你的電路。
上圖的這張圖的情況一定是要避免的,否則你的電路很可能會(huì)GG。
保證負(fù)載的正負(fù)極沒有插反、保證電源供電的電壓等于用電端負(fù)載需要的電壓、保證用電端負(fù)載電流小于供電電源能提供的電流。
換句話說:你的元器件一定不能正負(fù)極接反、你的芯片需要5V的電源,你電源提供的給芯片的電源就一定不能超過5V;你電源芯片最大提供的電流是3A,你負(fù)載的電流就不能超過3A。出現(xiàn)上述情況的任何一種,你的電路肯定會(huì)被燒壞。
即使你有時(shí)候發(fā)現(xiàn)這樣做電路沒有燒壞,那是因?yàn)殡娐酚斜Wo(hù)機(jī)制,比如過流保護(hù)、過壓保護(hù)等,但并不能保證你每次的運(yùn)氣就會(huì)這么好。說不定哪天你心情不好或者隨地吐一口口痰就不會(huì)有好運(yùn)氣了。
最后
現(xiàn)在你應(yīng)該明白了在做電源部分時(shí)如何選擇電源芯片了吧,也不要擔(dān)心電源外圍電路不會(huì)配置,工程師已經(jīng)都給你設(shè)置好了電路圖,所以多看看數(shù)據(jù)手冊。關(guān)于LDO和DC-DC的基礎(chǔ)知識(shí)就這么多,其他的就是在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)行發(fā)散,只要原理明白,一切都好說。