电路设计中LDO与DC-DC的选择问题（DC-DC篇）

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                （接上文）
  上文讨论了LDO的原理和特性，本文再分析一下DC-DC。

二、DC-DC

Ⅰ 原理
  DC-DC是一种在直流电路中将一个电压值的电能变为另一个电压值的电能的装置，属于开关电源。开关电源根据拓扑分类可分为隔离型和非隔离型，顾名思义隔离型拓扑表示输入电压与输出电压之间不存在电流路径（输入回路与输出回路不直接相连），非隔离型表示输入输出电压之间存在电流路径（输入回路与输出回路直接相连）。非隔离型开关电源一般为DC-DC，有三大基本拓扑：
1、BUCK降压型
如图：

  PWM驱动为高电平时，晶体管导通，电感磁通变化量为：
          ∆ϕ =Vl × Ton= (Vin-Vout)× Ton ------- ①
  其中Ton为晶体管导通时间。
  当晶体管断开时，由于电感电流不能突变，电感与负载和续流二极管形成放电回路给负载供电，放电时，电感的磁通变化量为：
          ∆ϕ =Vl × Toff= Vout×(T- Ton) ------- ②
  根据能量守恒定律，在PWM驱动晶体管开关时电感吸收的能量和释放的能量应保持不变，则有：① = ②
            Vout=D × Vin
  其中D为PWM的占空比。

2、BOOST升压型

  同理，根据以上计算方法，晶体管导通时，电感磁通的变化量为（忽略二极管的导通压降）：
              ∆ϕ =Vl × Ton= Vin×Ton
  晶体管断开时，电感磁通的变化量为：
            ∆ϕ =Vl × Toff= (Vout-Vin)×(T- Ton)
  得到输出电压与输入电压的关系为：
              Vout = Vin/(1-D)

3、BUCK-BOOST极性反转升降压型

  晶体管导通时，电感磁通的变化量为：
             ∆ϕ =Vl × Ton= Vin× Ton
  晶体管断开时，电感磁通的变化量为（忽略二极管的导通压降）：
           ∆ϕ =Vl × Toff= (- Vout)×(T- Ton)
  得到输出电压与输入电压的关系为：
            Vout = - D/(1-D) × Vvin
  输出电压与输入电压极性相反，升压和降压通过调节占空比来调节。
  这里需要注意的是，DC-DC拓扑中的晶体管都是工作在开关状态（饱和区），这也是开关电源的含义（关于隔离型和非隔离型开关电源的区别这里暂不做分析，本文主要分析DC-DC的应用）。
  在实际的应用中，拓扑结构的选择需要根据具体的应用场景来决定，例如在供电电压为6V时，若需要得到12V的输出电压，则可选择BOOST升压型DC-DC，若需要得到3.3V电压，则可以使用BUCK降压型DC-DC（BUCK-BOOST极性反转升降压型DC-DC笔者没有用过，也不知道具体应用场合，后续再行补充）。

Ⅱ 主要参数
1、输入电压范围
  与LDO不同的是，DC-DC的效率不受输入电压与输出电压的差值影响，所以当输入电压与输出电压差值很大的应用中，应尽量选择DC-DC，例如12V转3.3V，12V转5V这类应用，而5V转3.3V这类压差不大的情况下是选择DC-DC还是LDO则需要从多方面考虑。
2、输出电压范围
  根据具体应用选择输出范围即可。
3、最大输出电流
  表示了DC-DC的最大带载能力，DC-DC的带载能力远大于LDO，DC-DC输出电流最大可达到几安培，LDO最大只能达到数百毫安（DC-DC是由电感（线圈）吸收或释放能量，所以过电流能力远远强于晶体管）。
4、输出电压纹波
  由于DC-DC是根据电感的高速充放电原理进行电压的调节，所以输出电压纹波远远大于LDO，故而外部需要增加电感和电容进行滤波，使输出电压和电流趋于平稳（增加了元器件数量，增加了布板难度）。
5、效率
  DC-DC的特点是输入电流不连续，输出电流连续，内部损耗只有二极管，电感的铜损（铁损），以及电容的漏电流（可忽略），效率远高于LDO。
6、开关频率
  开关频率决定了外部电感的选型，外部电感越大，对纹波的抑制作用越好，缺点是不能快速的响应负载的变化，稳压性差。且一旦负载发生变化容易引起EMI问题，在选型时也需要注意。
7、运行温度
  散热的计算和LDO一样，在不同的应用场景下也要有不同的考虑。

三、对比LDO与DC-DC的优劣

  LDO与DC-DC的本质区别在于，LDO内部晶体管工作在线性区（放大状态），DC-DC内部晶体管工作在饱和区（开关状态）。
  综上所述，LDO优势在于：
    1、稳压性好，在负载波动情况较大是也能保证输出电压稳定。
    2、外部电路简单，所用元器件少，便于布板。
  但是LDO劣势也很明显：
    1、带负载能力弱，不适用于大负载的应用。
    2、压差越大效率越低，在电压范围较宽的场景中并不适用。

  DC-DC的优势在于：
    1、输出电流可以很大，带负载能力强。
    2、效率高，损耗低。
  但是缺点在于：
    1、需要一定的开启时间，因为储能元件的原因导致在负载突变的情况下需要一定的响应时间（储能过程）。
    2、噪声大，开关的过程导致纹波大，这是开关电源的一个先天缺陷。
    3、外电路复杂。由于开关电源的纹波较大，所以需要外部增加滤波电路，增加了布板的复杂性。

  最后，从价格上考虑，低功耗DC-DC的价格普遍比LDO贵（例如10μA内的DC-DC只有MPS等少数几个品牌能做到，而MPS的DC-DC价格在4元/颗），在低功耗的应用中，若满载情况的持续时间不长，那么效率问题可以不用作为重点考虑因素，只要负载在LDO额定的输出范围之内（波形有瞬间过载情况视具体波形而定），选用LDO可以大大节约成本，并且LDO的静态电流小，所以LDO完全能满足低功耗且低成本的应用（目前市面上智能门锁的电源方案大部分都用LDO）。而DC-DC也有其适用的应用场合，例如电压范围宽的时候，对功耗要求不高且负载较大的场合等等，选用DC-DC则效果更佳。
  所以在应用中，需要熟悉二者的工作原理，依据原理来判断各自的适用场景并做出选择。