Nederlands
Menu

LDO versus schakelende regelaar: rendement, ruis, componenten en toepassingen

Beide maken uit een DC-ingangsspanning een stabiele spanning, maar ze gaan verschillend om met de overtollige spanning. Een lineaire regelaar zoals een LDO gebruikt een transistor als variabele weerstand en voert het spanningsverschil tussen in- en uitgang af als warmte. Een schakelende regelaar schakelt een transistor snel aan en uit en draagt energie over via een spoel en condensator, waardoor het rendement ook bij een groot spanningsverschil hoog is en ook spanningsverhoging mogelijk is. Daar staat tegenover dat het schakelen rimpel en ruis veroorzaakt.

KenmerkLDO (lineaire regelaar)Schakelende regelaar
WerkingDe uitgangstransistor werkt in het lineaire gebied en neemt het spanningsverschil tussen in- en uitgang voor zijn rekeningTransistors schakelen aan en uit en een spoel en condensator dragen de energie over
RendementOngeveer uitgangsspanning ÷ ingangsspanning. Van 1,8 V naar 1,0 V ongeveer 56%Ook bij een groot spanningsverschil, afhankelijk van de condities, ongeveer 80 tot 95%
Warmteontwikkeling(ingangsspanning − uitgangsspanning) × stroom wordt volledig omgezet in warmteWeinig verliezen, weinig warmte
Ruis op de uitgangZeer laag. Geen schakelruisRimpel op de schakelfrequentie en ruis van harmonischen (EMI)
SchakelfrequentieGeenOngeveer enkele honderden kHz tot enkele MHz
Aantal componentenWeinig. Ongeveer het IC en in- en uitgangscondensatorenVeel. Spoel, condensatoren en afhankelijk van de topologie een diode enzovoort
PrintontwerpKlein en eenvoudigDe spoel neemt ruimte in en de routing moet zorgvuldig zijn om ruis te beperken
Verhogen en inverterenNiet mogelijk. Alleen verlagen, en de ingang moet minstens de dropoutspanning hoger zijn dan de uitgangBuck, boost, buck-boost en inverterend mogelijk
Respons op lastveranderingenSnelBepaald door de bandbreedte van de regellus; vaak trager dan een LDO
KostenGoedkoopHoger door de vele componenten
Belangrijkste toepassingenVoeding van ruisgevoelige schakelingen zoals ADC's, PLL's en RF-schakelingen, klein spanningsverschil, kleine stromenCorevoeding van CPU's en SoC's, grote stromen, efficiënt spanning maken uit een batterij, wanneer verhogen nodig is

De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.

Wanneer welke variant?

LDO
Wanneer het spanningsverschil tussen in- en uitgang klein is of de stroom klein is; voeding van schakelingen waarin lage ruis belangrijk is, zoals ADC's, PLL's en RF-schakelingen.
Schakelende regelaar
Wanneer het spanningsverschil groot is, de stroom groot is, een lange batterijduur gewenst is of een hogere spanning dan de ingang nodig is.
Combinatie
Een veelgebruikte opzet is de spanning efficiënt verlagen met een schakelende regelaar en daarna een LDO plaatsen om de rimpel te verwijderen. Het spanningsverschil over de LDO is klein, dus ook de verliezen blijven klein.

Veelgestelde vragen

Hoe bereken je het rendement van een LDO?

Door in- en uitgang loopt dezelfde stroom, dus als het eigen stroomverbruik van de LDO wordt verwaarloosd, is het rendement ongeveer uitgangsspanning ÷ ingangsspanning. Van 5 V naar 3,3 V is dat ongeveer 66%, van 3,6 V naar 3,3 V ongeveer 92%; hoe kleiner het spanningsverschil, hoe hoger het rendement.

Waarom is het rendement van een schakelende regelaar hoog?

Omdat de transistors volledig aan of volledig uit worden gebruikt. Aan is de spanning vrijwel nul, uit is de stroom vrijwel nul, dus de verliezen, het product van spanning en stroom, blijven klein, behalve onder meer tijdens het omschakelen.

Wat is de dropoutspanning van een LDO?

Het minimale spanningsverschil tussen in- en uitgang dat nodig is om de uitgang op de gespecificeerde spanning te houden. Bij een LDO kan die tot ongeveer 0,1 tot 0,3 V klein zijn; zakt de ingang daaronder, dan zakt ook de uitgangsspanning.

Test uw begrip

Welke uitspraak over de kenmerken van een schakelende regelaar in vergelijking met een lineaire regelaar (zoals een LDO) is juist?

  1. AHet rendement is laag, maar de ruis is zeer gering
  2. BHij geeft wisselspanning af
  3. CHet omzettingsrendement is hoog, maar er treedt gemakkelijk schakelruis op
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: C. Het omzettingsrendement is hoog, maar er treedt gemakkelijk schakelruis op

Een schakelende regelaar schakelt transistoren met honderden kHz tot enkele MHz aan en uit en draagt energie over met spoelen en condensatoren, zodat ook bij een groot verschil tussen ingangs- en uitgangsspanning een hoog rendement van circa 80 tot 95% wordt bereikt en ook verhogen en inverteren mogelijk is. Een lineaire regelaar zet het verschil om in warmte, zodat het rendement ongeveer uitgangsspanning ÷ ingangsspanning is (bij 12 V → 3,3 V circa 28%). Bij ruisgevoelige schakelingen wordt vaak een LDO na de schakelende regelaar geplaatst.

Welke uitspraak over de "dropout-spanning" van een LDO (lineaire regelaar met lage dropout) is juist?

  1. ADe maximale waarde van de uitgangsspanning
  2. BDe verandering van de uitgangsspanning bij het wegnemen van de belasting
  3. CHet minimale spanningsverschil tussen ingang en uitgang dat nodig is om de uitgang op de voorgeschreven spanning te houden
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: C. Het minimale spanningsverschil tussen ingang en uitgang dat nodig is om de uitgang op de voorgeschreven spanning te houden

De dropout-spanning is de minimale waarde van het spanningsverschil tussen ingang en uitgang waarbij de regelaar de uitgang kan handhaven. Door een PMOS of dergelijke als uitgangstransistor te gebruiken, kan een LDO deze tot circa 0,1 tot 0,3 V verkleinen; hij kan bijvoorbeeld 2,8 V maken uit een lithium-ionbatterij (3,0 tot 4,2 V). Omdat het verlies (ingang − uitgang) × stroom is, is het rendement beter naarmate het spanningsverschil kleiner is. Met een hoge rimpelonderdrukking wordt hij veel gebruikt als voeding van ruisgevoelige schakelingen.

Wat is de belangrijkste reden dat schakelende voedingen een hoger rendement hebben dan lineaire voedingen waarin de transistor lineair werkt?

  1. AOmdat de transistor volledig aan of uit wordt gebruikt en de tijd waarin spanning en stroom tegelijk aanwezig zijn kort is
  2. BOmdat er geen transistor wordt gebruikt
  3. COmdat de uitgangsspanning altijd hoger is dan de ingangsspanning
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. Omdat de transistor volledig aan of uit wordt gebruikt en de tijd waarin spanning en stroom tegelijk aanwezig zijn kort is

Het verlies in een transistor is het product van spanning en stroom. Bij een lineaire voeding laat de transistor stroom vloeien terwijl hij de overtollige spanning draagt, zodat het rendement bij het maken van 5 V uit 12 V slechts ca. 42 % is. Een schakelende voeding gebruikt alleen aan (spanning vrijwel nul) en uit (stroom vrijwel nul), zodat buiten het moment van omschakelen vrijwel geen verlies optreedt en een rendement van 90 % of meer wordt verkregen. In ruil daarvoor zijn maatregelen tegen ruis nodig.

  1. Welke waarde ligt het dichtst bij het rendement van een lineaire regulator (LDO) die uit een ingang van 1,8 V een uitgang van 1,0 V maakt (het eigen stroomverbruik van de regulator wordt verwaarloosd)?
  2. Welke DC-DC-converter geeft een hogere gelijkspanning aan de uitgang dan aan de ingang?
  3. Op de ingang van een LDO met een PSRR (onderdrukking van voedingsspanningsvariaties) van 60 dB bij 1 kHz staat een rimpel van 1 kHz met een amplitude van 100 mV. Wat is de richtwaarde voor de rimpel aan de uitgang?

Oefenvragen over Analoge en elektronische schakelingen

Belangrijke termen uitgelegd

LDO
Afkorting van Low Drop-Out: lineaire spanningsregelaar die ook werkt bij een klein spanningsverschil tussen ingang en uitgang. Weinig ruis, maar het product van spanningsverschil en stroom gaat als warmte verloren.
DC-DC-omvormer
Schakeling die een gelijkspanning omzet in een gelijkspanning van een andere grootte. Met schakelaar, spoel en condensator; er zijn step-down-omvormers (buck) die de spanning verlagen en step-up-omvormers (boost) die de spanning verhogen.
PSRR (voedingsspanningsonderdrukking)
Maat voor hoe weinig variaties in de voedingsspanning doorwerken naar de uitgang van de schakeling. Hoe groter, hoe beter de schakeling bestand is tegen voedingsruis.
PMIC
Power management IC. Onderdeel dat uit een batterij of dergelijke meerdere spanningen maakt en de volgorde van inschakelen en het omschakelen van spanningen beheert.

Verwante vergelijkingen