LDO 與切換式穩壓器的差異:效率、雜訊、元件、用途比較

兩者都是由輸入的直流電壓產生穩定的電壓,但處理多餘電壓的方式不同。LDO 等線性穩壓器將電晶體當作可變電阻使用,把輸入與輸出的電壓差以熱的形式捨棄。切換式穩壓器讓電晶體高速導通與截止,以電感與電容傳遞能量,因此即使電壓差很大效率也高,還能升壓。但相對地,會產生切換造成的漣波與雜訊。

項目LDO(線性穩壓器)切換式穩壓器
動作原理讓輸出電晶體工作在線性區,承擔輸入與輸出的電壓差讓電晶體導通與截止,以電感與電容傳遞能量
效率約為輸出電壓 ÷ 輸入電壓。由 1.8 V 產生 1.0 V 時約為 56%即使電壓差很大,依條件約為 80% 至 95%
發熱(輸入電壓 − 輸出電壓)× 電流全部變成熱損耗小,發熱少
輸出雜訊非常小。沒有切換雜訊會產生切換頻率的漣波,以及諧波雜訊(EMI)
切換頻率無約數百 kHz 至數 MHz
元件數量少。只需 IC 與輸入、輸出電容多。電感、電容,依方式還有二極體等
電路板設計小而簡單電感佔空間,抑制雜訊的佈線走法需要注意
升壓、反相無法。只能降壓,輸入必須比輸出高出壓降電壓以上可降壓、升壓、升降壓、反相
對負載變化的響應快由控制迴路的頻寬決定,多半比 LDO 慢
成本便宜元件較多,因此偏高
主要用途ADC、PLL、RF 電路等對雜訊敏感之電路的電源,電壓差小時,小電流CPU 或 SoC 的核心電源,大電流,要由電池有效率地產生電壓時,需要升壓時

數值為具代表性的大致參考值,會因世代或產品而異。

適用於什麼情況

LDO(線性穩壓器)
輸入與輸出的電壓差小時、電流小時,以及 ADC、PLL、RF 電路等重視低雜訊之電路的電源。
切換式穩壓器
電壓差大時、電流大時、想以電池長時間運作時,或需要比輸入更高的電壓時。
搭配使用
常用的架構是以切換式穩壓器有效率地降壓,之後再放置 LDO 去除漣波。LDO 的輸入輸出電壓差小,因此損耗也很小。

常見問題

LDO 的效率如何計算?

輸入與輸出流過相同的電流,因此若忽略 LDO 本身的消耗電流,效率約為輸出電壓 ÷ 輸入電壓。由 5 V 到 3.3 V 約為 66%,由 3.6 V 到 3.3 V 約為 92%,電壓差越小效率越好。

為什麼切換式穩壓器的效率高?

因為電晶體是在完全導通或完全截止的狀態下使用。導通時電壓幾乎為零,截止時電流幾乎為零,因此電壓與電流的乘積,也就是損耗,除了切換途中等情況之外都很小。

什麼是 LDO 的壓降電壓?

是將輸出維持在規定電壓所需的、輸入與輸出之間的最小電壓差。LDO 可以小到約 0.1 至 0.3 V,輸入一旦低於此值,輸出電壓也會隨之下降。

理解度檢測

與線性穩壓器(LDO等)相比,下列哪一項是切換式穩壓器的正確特徵?

  1. A效率低,但雜訊非常少
  2. B輸出交流
  3. C功率轉換效率高,但容易產生切換造成的雜訊
查看答案與解析

正確答案:C. 功率轉換效率高,但容易產生切換造成的雜訊

切換式穩壓器以數百kHz〜數MHz使電晶體導通與截止,並以線圈與電容傳遞能量,因此即使輸入輸出的電壓差大,也能得到80〜95%左右的高效率,也可升壓或反相。線性穩壓器將差值以熱的形式耗散,因此效率約為輸出電壓÷輸入電壓(12 V→3.3 V約為28%)。對雜訊敏感的電路常採用在切換式之後接LDO的架構。

下列哪一項是LDO(低壓差線性穩壓器)「壓差電壓(dropout voltage)」的正確意義?

  1. A輸出電壓的最大值
  2. B移除負載時輸出電壓的變化
  3. C為了將輸出維持在規定電壓所需的輸入與輸出之間的最小電壓差
查看答案與解析

正確答案:C. 為了將輸出維持在規定電壓所需的輸入與輸出之間的最小電壓差

壓差電壓是穩壓器能維持輸出的輸入輸出電壓差的最小值。LDO藉由在輸出電晶體使用PMOS等,可降到0.1〜0.3 V左右,例如也能由鋰離子電池(3.0〜4.2 V)產生2.8 V。損失為(輸入 − 輸出)× 電流,因此電壓差越小效率越好。電源拒斥比高,常用作對雜訊敏感電路的電源。

與讓電晶體線性運作的線性電源相比,切換式電源效率高的主要理由為下列何者?

  1. A因為電晶體只使用完全導通或截止的狀態,縮短電壓與電流同時施加的時間
  2. B因為不使用電晶體
  3. C因為輸出電壓一定比輸入電壓高
查看答案與解析

正確答案:A. 因為電晶體只使用完全導通或截止的狀態,縮短電壓與電流同時施加的時間

電晶體的損耗是電壓與電流的乘積。在線性電源中,多餘的電壓由電晶體承擔並同時流通電流,因此從12 V產生5 V時效率只有約42%。切換式電源只使用導通(電壓幾乎為零)與截止(電流幾乎為零),除了切換的瞬間外幾乎不產生損耗,因此可得到90%以上的效率。代價是需要雜訊對策。

  1. 由輸入1.8 V產生輸出1.0 V的線性穩壓器(LDO),其效率最接近下列何者(忽略穩壓器本身的消耗電流)?
  2. 輸出比輸入更高之直流電壓的DC-DC轉換器為下列何者?
  3. 一顆PSRR(電源抑制比)在1 kHz時為60 dB的LDO,其輸入疊加了1 kHz、振幅100 mV的漣波。輸出出現的漣波參考值為何?

前往類比與電子電路的練習題

相關名詞的解說

LDO
為 Low Drop-Out 的縮寫,指即使輸入與輸出的電壓差很小也能動作的線性穩壓器。雜訊少,但電壓差乘以電流的部分會以熱的形式損失。
DC-DC 轉換器
將直流電壓轉換為另一種大小的直流電壓的電路。使用開關、電感與電容,有降低至低於輸入電壓的降壓型,以及升高電壓的升壓型。
PSRR(電源電壓變動拒斥比)
表示電源電壓的變動有多難傳遞到電路輸出的指標。越大,越能抵抗電源雜訊。
PMIC(電源管理 IC)
電源管理 IC。由電池等產生多種電壓,並管理電源開啟順序與電壓切換的元件。

相關的比較