news 2026/4/3 4:40:08

为什么有些情况要用DCDC,而不用LDO和charge pump?

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张小明

前端开发工程师

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为什么有些情况要用DCDC,而不用LDO和charge pump?

DCDC是我们最常用的一种电源电路,那我们什么情况下只能使用DCDC而不能用LDO和charge pump呢?

一、开关电源的类型

首先我们来看一下开关电源的分类

1. 线性稳压器,所谓线性稳压器,也就是我们俗话说的LDO,一般有这么两种特点:

  • 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(DCDC)

  • 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. 充电泵(charge pump),一般在一些小电流的应用

  • 传输器件开关(如:场效应管、三极管),有些完全导通,而有些则工作在线性区;

  • 在电能转换或者储能的过程中,仅限使用了电容器,如一些倍压电路。

二、有些情况为什么要使用开关稳压器?为什么不用LDO 和充电泵?

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。

我们可以举一个例子来对比线性电源和开关电源的效率和体积:

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。

下图为线性电源和开关电源体积的比较

上图红色标注地方分别是一个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1/4 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。

再次强调一遍,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。例如我们要把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。

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