电源转换芯片

THEDI2025-05-232025-05-31

电源转换芯片

板子上一般使用的电源就是两类：DCDC(直流-直流变换器)，LDO(低压差线性稳压器)

**对电源选择原则上：**大功率电源使用DCDC，因为转换效率很高。而LDO一般使用于小功率电源，电源质量，纹波要求等

线性稳压器LDO

名称：线性稳压器，简称LDO，即Low Dropout Regulator
功能：将较高的输入电压转换为较低且稳定的输出电压(这就是稳压的定义)。LDO的特点是低压差，且只能降压，且即使输入电压与输出电压接近时仍然能够稳定工作。

LDO电源的优缺点（记住纹波小，效率低）

优点：

1.LDO成本低，外围电路少，通常只需要一两个旁路电容

2.LDO负载响应快，输出纹波小，噪声小

缺点：

1.效率低(较大热损失)，输入输出压差不能太大(几V左右)

2.LDO只能降压

3.LDO输出电流较低，最高可能就只有几A(1~2A左右)，输出功率做不大（同比DC-DC）

应用：适用于低功耗/小功率系统、低纹波、较低噪声的系统，如无线通信设备、音频设备等。

常用LDO芯片：

**AMS1117芯片：**比较经典的芯片，低功耗，常用于5V到3.3

我们的电脑USB供电一般是5V的，而我们的单片机一般是使用3.3V供电，此时就需要降压芯片，添加5V转3.3V电源转换电路

开关电源DC-DC

介绍：DC-DC是一种开关电源稳压器，利用电容和电感的储能特性，通过开关元件（如MOSFET）进行高频开关的动作将输入的电能储存在电容(感)里，开关断开时，电能再释放给负载，提供能量，能够提供比线性稳压器更高的效率。

分类：

降压型 (Buck电路)：将高电压转换为低电压。
升压型 (Boost 电路)：将低电压转换为高电压。
升降压型 (Buck-Boost 电路)：能够在输入电压高于或低于输出电压的情况下工作。

DC-DC电源的优缺点:（记住纹波大，效率高）

优点：

DC-DC转换效率高，输入电压范围宽泛(支持大压差)，支持多种电压变换

DC-DC支持降压和升压

DC-DC输出电流高，功率大

缺点：

1.DC-DC外围器件多，电路复杂，成本高

2.输出纹波大(是PWM波)，噪声大

3.DC-DC负载响应比LDO慢，输入输出存在较大延时（储能元件的充电）。

应用：适用于高效能、大压差、大功率需要大电流输出的设备，如便携式设备、电池供电设备等。

经典芯片：

LM2596：常见的降压型DC-DC转换器，效率高且价格便宜。
MP1584：体积小，广泛用于5V降压应用。
TPS61088：高效率升压型电源，适用于低电压驱动高功率设备。

LDO电路原理

LDO本质上是串联分压原理，实际将多余部分的能量通过分压电阻来损耗掉，达到降压的目的，大量损耗生成热量，效率不高，大压差下效率极低

参考：【大师篇】3-stm32开发板电源设计（LDO、DCDC）_哔哩哔哩_bilibili

整体内部结构如下：

拆分电路分析：

左下角：电压基准

电流源：提供恒定的输出电流

二极管：是一个稳压二极管

Vref：参考电压

作用：为右边的比较器提供稳定参考电压

中间：误差放大器

集成运算放大器：运算和放大功能 V-：运放的反向端，V+：运放的同向端

运算：Vin = V+ - V- (同向端减去反向端电压)

放大：Vout = βVin = β(V+ - V-) (β为放大倍数，理想情况是无限大)，当然输出电压不能超过运放的电源电压

V+ > V- ：输出高电平

V+ < V- ：输出低电平

右上：调整管

PNP三极管：这里类似于一个可变电阻，R受到基极电压的控制，基极电压上升，电阻变大，反之变小

右边：采样电路

分压电路：R1和R2中间的点位为： Vout * R2/(R1+R2)，对输出电压的采样

工作流程：

观察灯泡亮度：运放部分比较器的部分

滑动变阻器部分：三极管

1**.输出端电压Vout太高**：

采样电路中的V送到比较器的V+，如果V+ > V- 则输出高电平，此时三极管基极电压也就是高电平，电阻升高，根据串联分压原理，串联电阻增大，负载的电压就变小，Vout变小。就稳定了输出端电压

2.输出端电压Vout太小：

采样电路中的V送到比较器的V+，如果V+ < V- 则输出低电平，此时三极管基极电压也就是低电平，电阻降低，根据串联分压原理，串联电阻减小，负载的电压就变大，Vout变大。稳定了输出端电压

DC-DC电路原理

DC-DC电路通过开关元件(场效应管)周期性地导通和关断，使电感在储能与释放能量。效率很高，能达到90%左右。适用于大压差

【大师篇】3-stm32开发板电源设计（LDO、DCDC）_哔哩哔哩_bilibili

降压(BUCK电路)：

通过快速开关(MOSFET)，来将直流电变成PWM波(低电平到高电平的过程相当于产生了突变)，这个PWM波非常的不稳定，所以需要我们地电感和电容帮助其变得稳定来供给负载使用。

电感：抑制电流地突变

电容：储能+滤波，抑制电压地突变

电感+电容：使后续网络达到比较稳定地状态

二极管(续流二极管)：在MOS管关断的情况下，使电感上的电流形成回路，进行放电

情况1：MOS管导通

对电感和电容进行充电，LC储存能量，二极管关断。

情况2：MOS管关闭

电感和电容放电，LC释放能量，二极管导通形成回路

上图为A和B两点在MOS管开关的电压变化图：

B点电压始终低于电源电压，由于充电时间较短，达不到电源电压。

不停的充电放电，最终输出电压就是我们的B的图像，可以看到存在波动情况，这个就是电源的纹波

输出电压可以通过调节开关管的占空比调节，一般我们在输出端接一根线到开关电源芯片的FB引脚，对其进行采样(如图中所示)，形成反馈电路，通过改变串联电阻的大小，来改变反馈电压，从而调整最后的输出电压。

参考数据手册上进行计算电阻大小

升压(BOOST电路)：

DC-DC升压电路通过开关元件(场效应管)周期性地导通和关断，使电感在储能与释放能量时产生地反向电动势，叠加在输入电压上，从而实现升压。

相当于左边的电源和电感叠加，就大于单独的输入电压了

LDO和DC-DC区别

效率方面：

LDO：由于其线性调节的方式，LDO在低负载情况下效率较低，且会产生较大的热损失。
DC-DC：DC-DC转换器利用开关原理进行能量转换，因此在高负载情况下具有较高的转换效率，减少了能量浪费。

成本方面：

LDO：由于结构简单，适用于低成本、低功耗的应用场景。
DC-DC：DC-DC转换器通常需要更多的元件(开关等)和复杂的控制电路，造成成本较高，但在功率较大时更经济高效。

电源降压能力：

LDO：LDO的电源降压能力受限于其输入输出电压之差，通常**不适用与输入输出压差大(LDO低压差特性)**的场景。
DC-DC：DC-DC转换器可以实现更广范围的输入电压和输出电压，适用于多种不同电源需求的应用。

稳定性：

LDO：LDO的稳定性较好，可快速响应电压变化，适用于对稳定性要求较高的场景。
DC-DC：DC-DC转换器在动态响应上可能略逊于LDO，但在处理大功率、大负载变化时表现优秀。

5.温升和散热：

LDO：由于其线性调节方式，LDO在高负载情况下会产生较多热量，需要考虑散热问题。
DC-DC：DC-DC转换器在高效转换电能的同时产生的热量较少，散热要求相对较低。

LDO相关芯片

稳压芯片：

以AMS1117介绍其余类似

AMS1117

基本属性和典型电路

在绘制之前我们需要查阅AMS1117手册上简单了解该芯片一些属性：

有两种版本：输出固定和输出可调
工作温度范围：-40℃~125℃
最大输入电压：18V
压降：1.1(典型值)~1.3V(最大值：输出电流为1A时)

对其中的一些概念解释：

压降：在LDO中指的是输入电压必须高于输出电压的最小值，否则稳压器无法维持稳定输出对应电压。

典型固定输出电压电路(固定3.3V)：

上方为手册中典型的原理图，实际使用中我们通常会多并联一个电容去除电源的纹波，使用以下电路图

有关电源纹波的知识：

电源中的纹波（Ripple）通常指的是电源输出电压中的周期性波动或波纹，通常是由电源的整流、滤波或其他工作过程中的不完美滤波和电磁干扰引起的。

什么是电源纹波？如何测量电源纹波？-CSDN博客

这里使用的是10uF(或使用22uF，其实10~22uF这个范围都可以)和0.1uF的陶瓷电容并联使用，输入输出都进行滤波

一文搞懂0.1UF和10UF电容并联使用技巧-CSDN博客

为什么通常需要多并联一个更小容量的电容呢？

答：根据电容特性，较大容值电容在低频滤波比较出色，较小容值电容在高频滤波比较出色，所以我们并联两个电容可以在不同频率范围内提供更好的滤波效果，拓宽滤波范围

立创EDA效果如下：

典型可变输出电压电路：可手动调整稳压的大小

缺点和使用事项

在AMS1117的参考手册中我们可以看到在800mA时最大压降为1.3V

在LDO中，AMS1117属于压降较大的，最大到1.3V，所以我们的输入电压要保证大于4.6V才能正常工作，这在我们使用电池供电时可能不满足要求。

比如：锂电池(3.7V到4.2V)，虽然AMS1117最大输出电流为1A满足要求，但这时候我们使用AMS1117的稳压芯片就无法稳压到3.3V了，电池电压将被稳压到3V以下

所以此时我们就要选择压降更小的LDO芯片(mV级别的压降)，同时也要满足输出电流大的。

XC6210B332MR

压降较小的LDO芯片，只有100~200mV，适合电池供电时的稳压。可以寻找类似的芯片进行替换

升压芯片：

DCDC相关芯片

升压芯片：

AP2005SPER

该芯片是低噪声4.5A升压电流模式PWM转换器

典型应用电路图：

注意：升压电路中的电容和电感是核心部分，一定要注意！！

图中给出的是升压到5V的电路，实际使用时，需要根据升压的电路进行计算

电容：

图中输入和输出都是两个22uF并联，总容值为44uF，我们可以按照典型应用电路选择

但这样的高频滤波效果不好

电容总容值：并联的电容相加C=C1+C2+C3

所以我们可以选择使用47uF+0.1uF的电路，总容值47.1uF，既满足了容值的需求，又有高频滤波。

升压电路的电容不能小，否则会导致负载工作时，导致电压瞬时猛减，无法维持高电压

如我之前做的打印机项目中，我换成了10uF和0.1uF的电容并联，导致电压打印时的电压猛减

总容值仅10.1μF，导致：

储能不足：无法应对负载瞬态变化（如电流突增时电容无法快速补能）。

低频纹波增大：公式推导（假设负载电流1A）：

电感：选择3.3uH和4.7uH，实际使用中4.7uH电感效果更好，纹波更小