Deutsch
Menü

LDO vs. Schaltregler: Wirkungsgrad, Rauschen, Bauteile, Einsatz

Beide erzeugen aus einer Eingangsgleichspannung eine stabile Spannung, gehen aber unterschiedlich mit der überschüssigen Spannung um. Linearregler wie der LDO nutzen einen Transistor wie einen variablen Widerstand und geben die Differenz zwischen Ein- und Ausgangsspannung als Wärme ab. Schaltregler schalten Transistoren schnell ein und aus und übertragen die Energie über Spule und Kondensator; daher ist der Wirkungsgrad auch bei großer Spannungsdifferenz hoch, und auch eine Aufwärtswandlung ist möglich. Dafür entstehen durch das Schalten Welligkeit (Ripple) und Störungen.

MerkmalLDO (Linearregler)Schaltregler
FunktionsprinzipDer Ausgangstransistor arbeitet im linearen Bereich und nimmt die Differenz zwischen Ein- und Ausgangsspannung aufTransistoren werden ein- und ausgeschaltet; Spule und Kondensator übertragen die Energie
WirkungsgradEtwa Ausgangsspannung ÷ Eingangsspannung. 1,0 V aus 1,8 V ergibt etwa 56 %Auch bei großer Spannungsdifferenz je nach Bedingungen etwa 80–95 %
Wärmeentwicklung(Eingangsspannung − Ausgangsspannung) × Strom wird vollständig zu WärmeGeringe Verluste, wenig Wärme
AusgangsrauschenSehr gering. Kein SchaltrauschenRipple mit der Schaltfrequenz und Störungen durch Oberwellen (EMI)
SchaltfrequenzKeineEtwa einige hundert kHz bis einige MHz
BauteilzahlGering. Etwa der IC sowie Ein- und AusgangskondensatorenHoch. Spule, Kondensatoren, je nach Topologie Dioden usw.
LeiterplattendesignKlein und einfachDie Spule beansprucht Platz, und bei der Leitungsführung ist auf geringe Störungen zu achten
Aufwärtswandlung/InvertierungNicht möglich. Nur Abwärtswandlung; die Eingangsspannung muss mindestens um die Dropout-Spannung über der Ausgangsspannung liegenAbwärts-, Aufwärts- und Abwärts-Aufwärts-Wandlung sowie Invertierung möglich
Reaktion auf LaständerungenSchnellDurch die Bandbreite des Regelkreises bestimmt; oft langsamer als beim LDO
KostenGünstigWegen der vielen Bauteile eher hoch
Typische AnwendungenVersorgung rauschempfindlicher Schaltungen wie ADCs, PLLs und HF-Schaltungen, kleine Spannungsdifferenz, kleine StrömeKernversorgung von CPUs und SoCs, hohe Ströme, effiziente Spannungserzeugung aus Batterien, wenn eine Aufwärtswandlung nötig ist

Die Zahlenwerte sind typische Größenordnungen und variieren je nach Prozessgeneration und Produkt.

Wann welche Variante?

LDO
Wenn die Differenz zwischen Ein- und Ausgangsspannung klein ist, wenn der Strom klein ist, und zur Versorgung von Schaltungen wie ADCs, PLLs oder HF-Schaltungen, bei denen geringes Rauschen wichtig ist.
Schaltregler
Wenn die Spannungsdifferenz groß ist, wenn der Strom groß ist, wenn ein Batteriegerät lange laufen soll oder wenn eine höhere Spannung als die Eingangsspannung benötigt wird.
Kombination
Häufig wird die Spannung mit einem Schaltregler effizient abgesenkt und anschließend ein LDO nachgeschaltet, um den Ripple zu entfernen. Da die Differenz zwischen Ein- und Ausgangsspannung des LDO klein ist, bleiben auch die Verluste gering.

Häufige Fragen

Wie berechnet man den Wirkungsgrad eines LDO?

Da am Ein- und Ausgang derselbe Strom fließt, ist der Wirkungsgrad bei Vernachlässigung des Eigenstromverbrauchs des LDO etwa Ausgangsspannung ÷ Eingangsspannung. Von 5 V auf 3,3 V sind es etwa 66 %, von 3,6 V auf 3,3 V etwa 92 %; je kleiner die Spannungsdifferenz, desto höher der Wirkungsgrad.

Warum ist der Wirkungsgrad von Schaltreglern so hoch?

Weil die Transistoren entweder vollständig eingeschaltet oder vollständig ausgeschaltet betrieben werden. Im eingeschalteten Zustand ist die Spannung nahezu null, im ausgeschalteten der Strom nahezu null; daher bleiben die Verluste als Produkt aus Spannung und Strom klein, abgesehen etwa von den Umschaltvorgängen.

Was ist die Dropout-Spannung eines LDO?

Die minimale Differenz zwischen Ein- und Ausgangsspannung, die nötig ist, um den Ausgang auf der vorgegebenen Spannung zu halten. Bei LDOs lässt sie sich auf etwa 0,1–0,3 V verringern; sinkt die Eingangsspannung darunter, sinkt auch die Ausgangsspannung.

Verständnis prüfen

Welche Aussage zum Schaltregler im Vergleich zu Linearreglern (z. B. LDO) ist korrekt?

  1. ADer Wirkungsgrad ist niedrig, aber das Rauschen sehr gering
  2. BEr gibt Wechselspannung aus
  3. CDer Wirkungsgrad der Leistungswandlung ist hoch, aber durch das Schalten entsteht leicht Rauschen
Antwort und Erläuterung anzeigen

Antwort: C. Der Wirkungsgrad der Leistungswandlung ist hoch, aber durch das Schalten entsteht leicht Rauschen

Schaltregler schalten Transistoren mit mehreren hundert kHz bis einigen MHz ein und aus und übertragen Energie über Spulen und Kondensatoren; selbst bei großer Differenz zwischen Ein- und Ausgangsspannung erreichen sie hohe Wirkungsgrade von etwa 80 bis 95 % und können auch hoch- oder invertierend wandeln. Linearregler wandeln die Differenz in Wärme um, der Wirkungsgrad beträgt etwa Ausgangsspannung ÷ Eingangsspannung (12 V → 3.3 V: ca. 28 %). Bei rauschempfindlichen Schaltungen wird häufig ein LDO hinter den Schaltregler gesetzt.

Was bedeutet die „Dropout-Spannung“ eines LDO (Low-Dropout-Linearregler)?

  1. ADer Maximalwert der Ausgangsspannung
  2. BDie Änderung der Ausgangsspannung beim Entfernen der Last
  3. CDie minimale Spannungsdifferenz zwischen Ein- und Ausgang, die zum Halten des Ausgangs auf der vorgegebenen Spannung nötig ist
Antwort und Erläuterung anzeigen

Antwort: C. Die minimale Spannungsdifferenz zwischen Ein- und Ausgang, die zum Halten des Ausgangs auf der vorgegebenen Spannung nötig ist

Die Dropout-Spannung ist die minimale Differenz zwischen Ein- und Ausgangsspannung, bei der der Regler den Ausgang halten kann. LDOs können durch PMOS u. ä. als Ausgangstransistor auf etwa 0.1 bis 0.3 V reduziert werden und können z. B. aus einem Lithium-Ionen-Akku (3.0 bis 4.2 V) 2.8 V erzeugen. Die Verlustleistung beträgt (Eingang − Ausgang) × Strom, sodass der Wirkungsgrad bei kleiner Differenz besser ist. Wegen der hohen Brummunterdrückung werden sie oft zur Versorgung rauschempfindlicher Schaltungen eingesetzt.

Was ist der Hauptgrund dafür, dass Schaltnetzteile einen höheren Wirkungsgrad haben als Linearnetzteile, in denen der Transistor linear arbeitet?

  1. AWeil der Transistor entweder vollständig ein- oder ausgeschaltet verwendet wird und die Zeit, in der Spannung und Strom gleichzeitig anliegen, kurz ist
  2. BWeil keine Transistoren verwendet werden
  3. CWeil die Ausgangsspannung stets höher als die Eingangsspannung ist
Antwort und Erläuterung anzeigen

Antwort: A. Weil der Transistor entweder vollständig ein- oder ausgeschaltet verwendet wird und die Zeit, in der Spannung und Strom gleichzeitig anliegen, kurz ist

Die Verlustleistung eines Transistors ist das Produkt aus Spannung und Strom. Beim Linearnetzteil führt der Transistor Strom, während er die überschüssige Spannung aufnimmt; wird aus 12 V 5 V erzeugt, beträgt der Wirkungsgrad nur etwa 42 %. Beim Schaltnetzteil werden nur Ein (Spannung nahezu null) und Aus (Strom nahezu null) verwendet, und außer im Moment des Umschaltens entstehen kaum Verluste, sodass Wirkungsgrade über 90 % erreicht werden. Dafür sind Maßnahmen gegen Rauschen nötig.

  1. Welcher Wert kommt dem Wirkungsgrad eines Linearreglers (LDO) am nächsten, der aus 1,8 V Eingang 1,0 V Ausgang erzeugt (Eigenstrom des Reglers vernachlässigt)?
  2. Welcher DC-DC-Wandler gibt eine höhere Gleichspannung als die Eingangsspannung aus?
  3. Am Eingang eines LDO mit einer PSRR (Versorgungsspannungsunterdrückung) von 60 dB bei 1 kHz liegt eine Welligkeit von 1 kHz mit 100 mV Amplitude. Welcher Richtwert gilt für die am Ausgang auftretende Welligkeit?

Übungsfragen zu Analog- und Elektronikschaltungen

Wichtige Begriffe erklärt

LDO
Abkürzung für Low Drop-Out; Linearregler, der auch bei kleiner Differenz zwischen Ein- und Ausgangsspannung arbeitet. Rauscharm, aber das Produkt aus Spannungsdifferenz und Strom geht als Wärme verloren.
DC-DC-Wandler
Schaltung, die eine Gleichspannung in eine Gleichspannung anderer Höhe umwandelt. Sie verwendet Schalter, Spule und Kondensator; es gibt Tiefsetzsteller (Buck) und Hochsetzsteller (Boost).
PSRR (Versorgungsspannungsunterdrückung)
Maß dafür, wie wenig sich Schwankungen der Versorgungsspannung auf den Ausgang einer Schaltung übertragen. Je größer, desto unempfindlicher gegen Versorgungsrauschen.
PMIC (Power Management IC)
Power-Management-IC. Baustein, der aus einer Batterie o. Ä. mehrere Spannungen erzeugt und die Einschaltreihenfolge sowie das Umschalten der Spannungen verwaltet.

Verwandte Vergleiche