做硬件这行这么多年每次拿到新项目最让人纠结的往往是电源这部分。说起来也不复杂不就是给芯片供电吗但真到选型的时候LDO还是DC-DC这个问题几乎每个项目都会遇到。有的同事觉得DC-DC效率高、发热小肯定是首选有的同事坚持用LDO说纹波低、干扰少。实际上哪种方案更好用还真没有标准答案关键得看具体应用场景。今天咱们就来好好聊聊这个话题把这里面的门道说清楚。LDO和DC-DC各自的脾气1、LDO安静但费电LDO全称是低压差线性稳压器说白了就是一个用电阻分压的可调电阻。它的工作原理挺简单的输入电压经过一个晶体管降压然后通过反馈电路把输出电压稳定在设定值。因为晶体管工作在线性区所以LDO本质上就是一个可控电阻。LDO最大的优点就是安静。因为没有开关动作输出端基本没有开关噪声纹波可以做到很低通常在10mV以下好一点的甚至能到1mV以内。另外LDO的外围电路非常简单就几个电容成本很低布局布线也很省事。但LDO有个致命的弱点就是效率低下。举个例子如果输入12V、输出5V那么LDO的效率只有41%左右剩下的59%全部转化成热量浪费掉了。电流越大发热问题越严重。所以LDO适合用在压差小、电流小的场景比如给模拟电路、射频电路供电或者给MCU内核供电。2、DC-DC高效但吵闹DC-DC转换器的工作原理跟LDO完全不一样。它先把输入的直流电变成高频交流电然后通过变压器或者电感进行电压转换最后再整流成直流电。这个开关动作频率通常在100kHz到几MHz之间。DC-DC最大的优势就是效率高好的设计效率可以超过90%就算考虑损耗一般也能达到85%以上。这是因为开关管要么完全导通、要么完全关闭几乎不在线性区消耗功率所以热量损耗很小。不过DC-DC有个让人头疼的问题就是噪声大。那个开关动作会在输出端产生纹波和噪声频率成分很复杂有开关基频及其谐波还有尖峰毛刺。普通DC-DC的输出纹波在50mV到200mV之间好一点的能压到20mV以内但跟LDO比起来还是差了不少。效率差距到底有多大说到效率很多人觉得DC-DC效率高肯定是省电的。但实际情况要复杂得多咱们来算一笔账。假设一个典型场景12V输入5V/500mA输出。LDO的效率很简单就是输出电压除以输入电压5V/12V 41.7%。如果用LDO500mA电流意味着输入端电流也是500mA左右输入功率6W只有2.5W送到输出剩下的3.5W全部变成热量。DC-DC就不同了假设效率90%输出2.5W输入只需要2.78W输入电流约232mA。看起来DC-DC完胜对吧但别忘了DC-DC本身有个静态电流通常在几mA到几十mA不等。如果负载电流很小比如只有1mADC-DC的效率反而可能不如LDO。其实效率高低还得看压差和负载电流。压差越大LDO的效率越低负载电流越小DC-DC的静态电流占比越大。所以不能简单说DC-DC就一定省电得具体问题具体分析。噪声LDO不总是安静的很多人有个误区觉得LDO就等于低噪声。其实这个说法不完全准确LDO本身的噪声确实低但它只是不产生开关噪声如果输入电源本身有噪声LDO是没法过滤掉的甚至可能放大。LDO的噪声指标主要看两个参数输出电压噪声密度和输出纹波。输出纹波通常在10mV以内这个确实比DC-DC好很多。但如果你用的是低噪声LDO噪声密度可以做到几十nV/√Hz这已经是相当优秀的指标了。DC-DC的噪声就复杂多了。除了基本的开关纹波还有尖峰噪声、谐波噪声而且频率成分很丰富从几十kHz到几十MHz都有。这些噪声会通过传导和辐射两种方式传播对敏感的模拟电路和射频电路造成干扰。不过现在DC-DC的噪声控制技术也在进步。通过加输出滤波器、使用软开关技术、选择低噪声芯片等措施DC-DC的纹波可以压到20mV以内。如果设计得当对大部分数字电路来说DC-DC的噪声是可以接受的。怎么选看这几个条件就够了说了这么多到底该怎么选呢其实选型没那么复杂抓住几个关键条件就够了。1、压差是第一道坎拿到一个电源设计任务首先要看输入输出电压差多大。如果压差小于1VLDO完全可以考虑效率虽然比DC-DC低一点但差距没那么夸张而且LDO的噪声优势就能发挥出来。如果压差超过3V甚至更高那就得好好算算了。12V转5V这种压差7V用LDO效率只有41%发热会很严重。除非你对噪声有极高要求否则这种情况用DC-DC更合理。还有个特殊情况要特别注意就是压差接近LDO的最小压差要求的时候。不同LDO的压差规格不一样低压差LDO可以做到200mV以内普通LDO可能要1V以上。选型的时候一定要确认输入电压最低的时候还能维持足够的压差。2、电流大小决定方案电流是第二个关键因素。电流越大DC-DC的优势越明显。一般认为负载电流超过500mA就应该优先考虑DC-DC了。电流太大用LDO的话光是散热问题就够你头疼的。反过来如果负载电流只有几十mA甚至更低LDO的效率其实也没那么差。几mA的静态电流在这种场景下占比很小LDO的效率反而可能更高。还有个细节要注意DC-DC有个最小负载电流要求。如果负载太轻DC-DC可能工作不正常或者效率反而下降。这种时候要么加假负载要么用LDO。3、噪声容忍度这一条要结合负载类型来看。对噪声敏感的系统比如模拟前端、射频链路、音频放大器、精密ADC/DAC必须用LDO甚至要选择超低噪声LDO。如果是给MCU、DDR、FPGA等数字器件供电几十mV的纹波完全不是问题DC-DC是更好的选择。这些器件本身对噪声的容忍度很高关键是供电稳定、功率充足。还有一种折中方案就是先用DC-DC做一级降压把大压差、大电流的问题解决掉然后用LDO做二级稳压给噪声敏感电路供电。这种组合方案在实际项目中用得非常多。4、成本和面积说到成本LDO确实有优势。几毛钱就能买到一颗不错的LDO而DC-DC芯片便宜的可能也要两三块加上电感、二极管等外围器件整体成本差距还是比较明显的。面积方面LDO的外围电路很简单就几个电容布线很省空间。DC-DC就复杂多了开关节点、输出滤波器、电感布局都有讲究布线不合理的话EMC问题会让人崩溃。如果板子空间紧张LDO的优势就体现出来了。不过从系统整体来看有时候用DC-DC反而能省成本。比如需要从12V降到大电流的3.3V如果用LDO光散热片的成本可能就比DC-DC方案高多了。所以还是要综合考虑。混合方案才是王道说了这么多其实我想告诉你的是LDO和DC-DC根本不是非此即彼的关系。在实际项目中混合使用两种方案才是主流做法。一个典型的例子就是给FPGA供电。FPGA的核电压电流大、对噪声要求不算特别高用DC-DC效率高、发热小。但FPGA的PLL、 transceiver等模拟部分对噪声敏感需要干净的电源这时候就会用LDO给这些模拟部分单独供电。另一个常见场景是12V输入系统。12V先通过DC-DC降到5V或者3.3V给大部分数字电路供电然后5V/3.3V再通过LDO降到大电流MCU的1.2V内核电压或者精密运放的5V模拟电压。这种两级方案充分发挥了两种器件的优势是很成熟的电源架构。所以别再纠结LDO好还是DC-DC好了根据每个电源轨的具体需求选择最合适的方案然后把不同方案组合起来用这才是真正的工程思维。选型速查表按我的经验给大家整理个简单粗暴的速查表拿来就能用低压差 小电流 低噪声需求选LDO → 12V转9V/500mA选低压差LDO大压差 大电流 效率优先选DC-DC → 12V转5V/2A选同步降压DC-DC给模拟/射频电路供电选LDO → 选超低噪声LDO如TLV1117、ADP151给MCU/DDR/FPGA供电选DC-DC → 大电流需求必须DC-DC注意滤波复杂系统电源架构DC-DC LDO组合 → DC-DC一级降压LDO二级精密供电说了这么多其实最核心的就一句话没有最好的方案只有最合适的方案。下次遇到电源选型别急着下结论先把压差、电流、噪声、成本这几个条件捋清楚选型就没那么难了。希望这篇文章能帮你在实际项目中做出更好的选择。如果觉得有用欢迎转发给身边做硬件的朋友。关于凡亿教育凡亿教育是国内领先的电子设计硬件教育培训平台以让电子设计更简单为使命。深耕电子硬件教育培训十余年开设硬件开发、高速PCB设计、嵌入式系统、射频EMC、电路仿真等实战课程涵盖AD、Allegro、PADS等主流工具。累计培养120万工程师出版30余本专业教材自主研发凡亿课堂年服务学员50万。采用双师2V1教学模式培训效率极高学员就业率98%九成实现涨薪。作为国家高新技术企业、专精特新企业凡亿教育致力于打造电子工程师梦工厂帮助每一位电子人快速成长、顺利就业。
LDO和DC-DC怎么选，效率与噪声如何取舍
做硬件这行这么多年每次拿到新项目最让人纠结的往往是电源这部分。说起来也不复杂不就是给芯片供电吗但真到选型的时候LDO还是DC-DC这个问题几乎每个项目都会遇到。有的同事觉得DC-DC效率高、发热小肯定是首选有的同事坚持用LDO说纹波低、干扰少。实际上哪种方案更好用还真没有标准答案关键得看具体应用场景。今天咱们就来好好聊聊这个话题把这里面的门道说清楚。LDO和DC-DC各自的脾气1、LDO安静但费电LDO全称是低压差线性稳压器说白了就是一个用电阻分压的可调电阻。它的工作原理挺简单的输入电压经过一个晶体管降压然后通过反馈电路把输出电压稳定在设定值。因为晶体管工作在线性区所以LDO本质上就是一个可控电阻。LDO最大的优点就是安静。因为没有开关动作输出端基本没有开关噪声纹波可以做到很低通常在10mV以下好一点的甚至能到1mV以内。另外LDO的外围电路非常简单就几个电容成本很低布局布线也很省事。但LDO有个致命的弱点就是效率低下。举个例子如果输入12V、输出5V那么LDO的效率只有41%左右剩下的59%全部转化成热量浪费掉了。电流越大发热问题越严重。所以LDO适合用在压差小、电流小的场景比如给模拟电路、射频电路供电或者给MCU内核供电。2、DC-DC高效但吵闹DC-DC转换器的工作原理跟LDO完全不一样。它先把输入的直流电变成高频交流电然后通过变压器或者电感进行电压转换最后再整流成直流电。这个开关动作频率通常在100kHz到几MHz之间。DC-DC最大的优势就是效率高好的设计效率可以超过90%就算考虑损耗一般也能达到85%以上。这是因为开关管要么完全导通、要么完全关闭几乎不在线性区消耗功率所以热量损耗很小。不过DC-DC有个让人头疼的问题就是噪声大。那个开关动作会在输出端产生纹波和噪声频率成分很复杂有开关基频及其谐波还有尖峰毛刺。普通DC-DC的输出纹波在50mV到200mV之间好一点的能压到20mV以内但跟LDO比起来还是差了不少。效率差距到底有多大说到效率很多人觉得DC-DC效率高肯定是省电的。但实际情况要复杂得多咱们来算一笔账。假设一个典型场景12V输入5V/500mA输出。LDO的效率很简单就是输出电压除以输入电压5V/12V 41.7%。如果用LDO500mA电流意味着输入端电流也是500mA左右输入功率6W只有2.5W送到输出剩下的3.5W全部变成热量。DC-DC就不同了假设效率90%输出2.5W输入只需要2.78W输入电流约232mA。看起来DC-DC完胜对吧但别忘了DC-DC本身有个静态电流通常在几mA到几十mA不等。如果负载电流很小比如只有1mADC-DC的效率反而可能不如LDO。其实效率高低还得看压差和负载电流。压差越大LDO的效率越低负载电流越小DC-DC的静态电流占比越大。所以不能简单说DC-DC就一定省电得具体问题具体分析。噪声LDO不总是安静的很多人有个误区觉得LDO就等于低噪声。其实这个说法不完全准确LDO本身的噪声确实低但它只是不产生开关噪声如果输入电源本身有噪声LDO是没法过滤掉的甚至可能放大。LDO的噪声指标主要看两个参数输出电压噪声密度和输出纹波。输出纹波通常在10mV以内这个确实比DC-DC好很多。但如果你用的是低噪声LDO噪声密度可以做到几十nV/√Hz这已经是相当优秀的指标了。DC-DC的噪声就复杂多了。除了基本的开关纹波还有尖峰噪声、谐波噪声而且频率成分很丰富从几十kHz到几十MHz都有。这些噪声会通过传导和辐射两种方式传播对敏感的模拟电路和射频电路造成干扰。不过现在DC-DC的噪声控制技术也在进步。通过加输出滤波器、使用软开关技术、选择低噪声芯片等措施DC-DC的纹波可以压到20mV以内。如果设计得当对大部分数字电路来说DC-DC的噪声是可以接受的。怎么选看这几个条件就够了说了这么多到底该怎么选呢其实选型没那么复杂抓住几个关键条件就够了。1、压差是第一道坎拿到一个电源设计任务首先要看输入输出电压差多大。如果压差小于1VLDO完全可以考虑效率虽然比DC-DC低一点但差距没那么夸张而且LDO的噪声优势就能发挥出来。如果压差超过3V甚至更高那就得好好算算了。12V转5V这种压差7V用LDO效率只有41%发热会很严重。除非你对噪声有极高要求否则这种情况用DC-DC更合理。还有个特殊情况要特别注意就是压差接近LDO的最小压差要求的时候。不同LDO的压差规格不一样低压差LDO可以做到200mV以内普通LDO可能要1V以上。选型的时候一定要确认输入电压最低的时候还能维持足够的压差。2、电流大小决定方案电流是第二个关键因素。电流越大DC-DC的优势越明显。一般认为负载电流超过500mA就应该优先考虑DC-DC了。电流太大用LDO的话光是散热问题就够你头疼的。反过来如果负载电流只有几十mA甚至更低LDO的效率其实也没那么差。几mA的静态电流在这种场景下占比很小LDO的效率反而可能更高。还有个细节要注意DC-DC有个最小负载电流要求。如果负载太轻DC-DC可能工作不正常或者效率反而下降。这种时候要么加假负载要么用LDO。3、噪声容忍度这一条要结合负载类型来看。对噪声敏感的系统比如模拟前端、射频链路、音频放大器、精密ADC/DAC必须用LDO甚至要选择超低噪声LDO。如果是给MCU、DDR、FPGA等数字器件供电几十mV的纹波完全不是问题DC-DC是更好的选择。这些器件本身对噪声的容忍度很高关键是供电稳定、功率充足。还有一种折中方案就是先用DC-DC做一级降压把大压差、大电流的问题解决掉然后用LDO做二级稳压给噪声敏感电路供电。这种组合方案在实际项目中用得非常多。4、成本和面积说到成本LDO确实有优势。几毛钱就能买到一颗不错的LDO而DC-DC芯片便宜的可能也要两三块加上电感、二极管等外围器件整体成本差距还是比较明显的。面积方面LDO的外围电路很简单就几个电容布线很省空间。DC-DC就复杂多了开关节点、输出滤波器、电感布局都有讲究布线不合理的话EMC问题会让人崩溃。如果板子空间紧张LDO的优势就体现出来了。不过从系统整体来看有时候用DC-DC反而能省成本。比如需要从12V降到大电流的3.3V如果用LDO光散热片的成本可能就比DC-DC方案高多了。所以还是要综合考虑。混合方案才是王道说了这么多其实我想告诉你的是LDO和DC-DC根本不是非此即彼的关系。在实际项目中混合使用两种方案才是主流做法。一个典型的例子就是给FPGA供电。FPGA的核电压电流大、对噪声要求不算特别高用DC-DC效率高、发热小。但FPGA的PLL、 transceiver等模拟部分对噪声敏感需要干净的电源这时候就会用LDO给这些模拟部分单独供电。另一个常见场景是12V输入系统。12V先通过DC-DC降到5V或者3.3V给大部分数字电路供电然后5V/3.3V再通过LDO降到大电流MCU的1.2V内核电压或者精密运放的5V模拟电压。这种两级方案充分发挥了两种器件的优势是很成熟的电源架构。所以别再纠结LDO好还是DC-DC好了根据每个电源轨的具体需求选择最合适的方案然后把不同方案组合起来用这才是真正的工程思维。选型速查表按我的经验给大家整理个简单粗暴的速查表拿来就能用低压差 小电流 低噪声需求选LDO → 12V转9V/500mA选低压差LDO大压差 大电流 效率优先选DC-DC → 12V转5V/2A选同步降压DC-DC给模拟/射频电路供电选LDO → 选超低噪声LDO如TLV1117、ADP151给MCU/DDR/FPGA供电选DC-DC → 大电流需求必须DC-DC注意滤波复杂系统电源架构DC-DC LDO组合 → DC-DC一级降压LDO二级精密供电说了这么多其实最核心的就一句话没有最好的方案只有最合适的方案。下次遇到电源选型别急着下结论先把压差、电流、噪声、成本这几个条件捋清楚选型就没那么难了。希望这篇文章能帮你在实际项目中做出更好的选择。如果觉得有用欢迎转发给身边做硬件的朋友。关于凡亿教育凡亿教育是国内领先的电子设计硬件教育培训平台以让电子设计更简单为使命。深耕电子硬件教育培训十余年开设硬件开发、高速PCB设计、嵌入式系统、射频EMC、电路仿真等实战课程涵盖AD、Allegro、PADS等主流工具。累计培养120万工程师出版30余本专业教材自主研发凡亿课堂年服务学员50万。采用双师2V1教学模式培训效率极高学员就业率98%九成实现涨薪。作为国家高新技术企业、专精特新企业凡亿教育致力于打造电子工程师梦工厂帮助每一位电子人快速成长、顺利就业。
