Abwärtsregler vs. Spannungsregler für DC, AC und HF: Welcher ist der Beste?

Zachariah Peterson
|  Erstellt: October 8, 2021
Abwärtsregler vs. Spannungsregler für DC, AC und HF: Welcher ist der Beste?

Diese Frage scheint so grundlegend zu sein, dass sie sich ständig und immer wieder neu stellt: Wann sollte man einen LDO und wann einen Abwärtsregler verwenden? Einige wichtige Aspekte bei der Auswahl eines Low-Drop-Längsreglers (Low-dropout Regulator LDO) im Vergleich zu einem Schaltwandler sind die Art der zu versorgenden Komponenten, der Gesamtstrom, der dem Regler entnommen wird, und die Wärmemenge, die diese Bauteile vertragen.

In einem früheren Artikel habe ich mich mit einigen der Faktoren befasst, die den Wirkungsgrad von LDOs einschränken – vor allem aufgrund der Konstruktion des Bauelements und der Art und Weise, wie es auf eine hohe Eingangsspannung oberhalb seines Drop-out-Niveaus reagiert. Bei einem Abwärtsregler ist dies ein weitaus geringeres Problem. Allerdings wird nun die Schaltfrequenz zu einem wichtigen Punkt, der berücksichtigt werden muss. Es handelt sich hierbei um komplexe Fragen, die mit der Struktur von MOSFETs einhergehen, und auf die wir hier nicht näher eingehen wollen. Stattdessen sehen wir uns einige Fälle an, in denen Sie sich für einen Abwärtsregler statt für einen LDO als letzte Ausgangsstufe in Ihrer Leistungsregelungsstrategie entscheiden sollten.

Kurzer Vergleich zwischen einem Abwärtsregler und einem LDO

Wenn Sie überlegen, ob Sie einen Abwärtsregler oder einen LDO für die Stromversorgung bestimmter Schaltungsteile oder Ihrer gesamten Platine verwenden sollen, ist es wichtig, welche Bauteile Sie mit Strom versorgen müssen und wie viel Energie diese benötigen. Im Folgenden finden Sie die wichtigsten Punkte, die Sie bei der Auswahl der Reglerbauteile und beim Entwurf Ihrer Schaltungen berücksichtigen sollten:

 

LDO

Abwärtsregler

Step-down-Mechanismus

Resistiv (fällt in Wärme umgewandelt)

Reaktiv

Wirkungsgrad

Variiert mit der Eingangsdifferenz

Typ. 85 %

Wärmeentwicklung

Steigt mit hohem Ausgangsstrom

Hauptsächlich im MOSFET bei hohem Strom

Rauschen

Sehr niedrig

Kann hoch sein, hängt von der Ausgangsinduktivität und der PWM-Frequenz ab

All diese Aspekte spielen bei den unterschiedlichen Arten von Schaltkreisen eine wichtige Rolle. Um diese Unterschiede zu verdeutlichen, sehen wir uns drei typische Schaltungsarten an: DC, AC (rein analog) und HF.

DC-Schaltungen

Gleichstromanwendungen sind vergleichbar einfach, solange die zu regelnde Eingangsspannung in der Nähe der Ausgangsspannung liegt, die Sie von Ihrem Regler benötigen. Wenn Sie eine DC-Schaltung oder eine digitale Schaltlogik betreiben, sind LDOs im Allgemeinen aus mehreren Gründen die bessere Wahl. Allerdings nur, solange Sie mit einem geringen Strom oder einer minimalen Spannungsdifferenz oberhalb der Drop-out-Spannung arbeiten. Aufgrund der Effizienz- und Drop-out-Überlegungen, die ich in einem früheren Artikel erörtert habe, gibt es zwei Fälle, in denen LDOs besser geeignet sind:

  1. Geringe Differenz in einem bestimmten Strombereich. Im schlimmsten Fall, wenn Sie mit einem hohen Strom arbeiten, erzeugen Sie viel Wärme und die Gerätetemperatur könnte zu hoch werden.
  2. Hohe Differenz, aber nur bei niedrigem Strom. Dies ist auch ein Problem des Wirkungsgrads und der Wärmeableitung; bei zu hohem Strom wird auch zu viel Wärme abgeleitet.

Wenn Sie einen LDO außerhalb dieser Grenzen betreiben, riskieren Sie eine thermische Überlastung bis zum Ausfall, oder Sie riskieren, dass die Regelung versagt. In diesem Fall sollten Sie sich für einen Abwärtsregler entscheiden, insbesondere wenn Sie mit einer hohen Eingangs-Ausgangs-Differenz arbeiten.

Bei einem schnellen Digitalprozessor, z. B. einer der schnelleren MSP430- oder STM32-Varianten, gibt es Probleme mit der Stromversorgungsintegrität. Dies führt zu Spannungsschwankungen von mehr als 100 mV auf der Stromversorgungsleitung. Diese sind im Allgemeinen zu gering, als dass sie den LDO aus dem Gleichgewicht bringen können. Dies kann sich ändern, wenn Sie mehrere digitale ICs in verschiedenen Schaltungsblöcken haben, die alle einen hohen Strom ziehen. In diesem Fall sollten Sie die Bauteile in verschiedenen Stufen parallel schalten.

PCB switching regulator and LDO

Analoge Schaltungen

Wenn Sie eine analoge Schaltung mit Strom versorgen müssen, ist ein LDO ebenfalls nützlich, da er ein geringes Ausgangsrauschen aufweist. Ich habe LDOs mit einer Leistung von bis zu einigen Watt in Gleichstrom- und Analogschaltungen verwendet, was jedoch aufgrund des hohen Stroms und der Spannungsdifferenz einen Kühlkörper im Gehäuse erforderte, um die Wärme abzuführen. Der Analogeinsatz ist eine Herausforderung, da diese Schaltungen rauschempfindlich sind. Hier wäre ein LDO vorzuziehen, da diese Komponenten in der Regel eine Rauschunterdrückung von mehr als 50–60 dB bezogen auf die Ausgangsleistung aufweisen. Wenn Sie analoge Schaltungen mit höherer Leistung aus einer Gleichstromversorgung speisen müssen (was nicht so häufig vorkommt), ist ein Schaltregler vorzuziehen. An dieser Stelle wollen wir über einige der Strategien nachdenken, die bei der Entwicklung von HF-Stromversorgungen verwendet werden.

HF-Schaltkreise und Bauteile

HF-Systeme wie Verstärker könnten mit einem LDO betrieben werden, obwohl man sich wegen des Effizienz- und Erwärmungsproblems Gedanken über das Design machen sollte. Für Systeme mit geringerer Leistung, wie z. B. ein Wi-Fi-fähiges Modul (z. B. ESP32 oder SimpleLink), ist ein LDO in Ordnung, da die Leistung normalerweise nicht zu hoch ist. Wenn Sie das Problem der Erwärmung nicht in den Griff bekommen oder eine hohe Leistung für modulierte Signale benötigen, müssen Sie einen Abwärtsregler einsetzen.

Wifi module
Wi-Fi-Module, die mit relativ geringer Ausgangsleistung arbeiten, können mit einem kleinen LDO betrieben werden.

Der Aufbau von Hochfrequenzsystemen mit einem DC-Abwärtsregler kann anspruchsvoll sein. Die größte Herausforderung ist das Rauschen. Viele HF-ICs (z. B. MCUs mit integriertem Funkgerät) verfügen jedoch über einen On-Die-LDO, der für die Regulierung sorgt, sodass Ihre Aufgabe nur darin besteht, eine rauschfreie Stromversorgung an die Versorgungspins zu liefern. Sie können den Ausgang mit einem größeren Kondensator und einer Induktivität passiv filtern, um den Gleichstromausgang zu stabilisieren.

Wenn Sie mit hoher Leistung und hohen Frequenzen arbeiten müssen und Modulationssignale verarbeiten, bedenken Sie, dass dies ein komplexeres Thema ist, das einen eigenen Artikel verdient. Darauf werde ich in einem der nächsten Blogs eingehen.

Wechsel vom Labor-Netzteil zur On-Board-Stromversorgung

Bei der Verwendung eines geregelten Tischnetzteils, das direkt an ein Modul oder eine Entwicklungsplatine angeschlossen ist, müssen Sie sich über all das keine weiteren Gedanken machen. Diese Netzteile sind für den vielseitigen Einsatz konzipiert und bieten durch eine Vielzahl von Techniken ein geringes Schaltrauschen (Mehrphasenbetrieb, höhere PWM-Frequenzen, schnellere PWM-Flankenraten, große Ferrite usw.). Sobald Sie von Ihrem Prototyp zur fertigen Baugruppe wechseln, benötigen Sie Werkzeuge, die Ihnen bei der Erstellung von Schaltplänen für die Leistungsregulierung und dem PCB-Layout für Ihre Schaltungen helfen.

Wenn Sie sich für einen Abwärtsregler im Vergleich zu einem LDO entschieden haben und Ihr Leiterplattenlayout erstellen möchten, haben Sie in CircuitMaker Zugriff auf eine Reihe von Layout- und Routingfunktionen. Benutzer können detaillierte Schaltpläne für Leistungsregelungsschaltungen erstellen und ihre Daten sofort in ein neues Schaltungslayout übertragen. Alle CircuitMaker-Anwender haben außerdem Zugriff auf einen persönlichen Arbeitsbereich auf der Altium-365-Plattform, in den sie Designdaten hochladen und in der Cloud speichern sowie Projekte einfach über einen Webbrowser auf einer sicheren Plattform anzeigen können.

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Über den Autor / über die Autorin

Über den Autor / über die Autorin

Zachariah Peterson verfügt über einen umfassenden technischen Hintergrund in Wissenschaft und Industrie. Vor seiner Tätigkeit in der Leiterplattenindustrie unterrichtete er an der Portland State University. Er leitete seinen Physik M.S. Forschung zu chemisorptiven Gassensoren und sein Ph.D. Forschung zu Theorie und Stabilität von Zufallslasern. Sein Hintergrund in der wissenschaftlichen Forschung umfasst Themen wie Nanopartikellaser, elektronische und optoelektronische Halbleiterbauelemente, Umweltsysteme und Finanzanalysen. Seine Arbeiten wurden in mehreren Fachzeitschriften und Konferenzberichten veröffentlicht und er hat Hunderte von technischen Blogs zum Thema PCB-Design für eine Reihe von Unternehmen verfasst. Zachariah arbeitet mit anderen Unternehmen der Leiterplattenindustrie zusammen und bietet Design- und Forschungsdienstleistungen an. Er ist Mitglied der IEEE Photonics Society und der American Physical Society.

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