微型开关稳压器取代 LDO 的时代已然到来？

1万 · 2019-6-26 22:28

我必须承认一点：尽管开关稳压器已步入聚光灯下，但就个人而言，低压差稳压器 (LDO) 仍是我心目中的“白月光”（或许脑海中亦是如此）。原因之一是 LDO 只专注于一件事情，性能出色且操作简单，既不让人头痛，也没什么意外。而且我最先接触的功率调节装置就是 LDO，而在我实际开始构建电路的时候，它的性能表现也相当不错。即使是现在，需要数伏电压、约 1 A 电流的电源轨时，我首先想到的仍是 LDO，这种只有三个端子的基础元器件，而不是开关稳压器。

LDO 的能效不如开关稳压器，这一点是众所周知的。但是在 1 A 左右的小电流情况下，两者的区别并不大，而且在特定设计中，影响亦不大。若电流不止数安，这种差距就会比较明显，此时 LDO 就不太适用了。不过，除非是需要超低噪声的电源轨，否则亦无需使用性能出色且噪声极低的开关稳压器。除此之外，虽然可以在几种类型的 LDO 之间并联低阻值的泄放电阻以平衡电流，但布局、封装、BOM 和量化性能等方面就会因此变得复杂。

尽管如此，LDO 依然是工程师 BOM 包中的重要组件。正因为操作简单，所以很多设计人员都像撒芝麻一样，把 LDO “撒”在印刷电路板上所有需要调节电压的地方，如 IC 和子电路的周围，以此最大限度地降低电源轨的 IR 压降，减少噪声拾取以及因电源与负载间距较远而产生的其他问题。

时代在变，好东西亦会变

不过，我估计应用 LDO 的基础设计导入或许很快就会退出历史的舞台。目前，在简易性、尺寸、无需外部电源（或仍需要）和总体设计导入的便利性方面，密封式小电流开关稳压器的属性都与 LDO 水平相当。如果在电路中对这些密封式开关稳压器和 LDO 进行“黑箱”测试，通常很难区分 1 安 LDO 和多安密封式开关稳压器。

此外，虽然 LDO 只能降压，但市面上却有降压、升压，甚至升/降压开关稳压器，后者能够在两种模式之间进行无缝转换。这一功能非常重要，许多电路都由单一的锂电池来驱动，因此需要升/降压模式来将电池从满电量状态调节到稍微放电的状态。

（实用）示例展示

以 LTM8074 (LTM8074EY#PBF) 为例，这是 Analog Devices 推出的一款 Silent Switcher µModule 稳压器（图 1）。该稳压器具有宽输入电压范围（3.2 至 40 V）和宽输出电压范围（0.8 至 12 V）；可连续输出 1.2 A 电流（24 V 输入电压和 5 V 输出电压的情况下）；输出电压为 3.3 V 时，可以达到 1.75 A 的峰值输出电流。不过，真正吸引我的还是它的尺寸。作为一款 BGA 设备，该稳压器的尺寸仅为 4 mm × 4 mm × 1.82 mm（厚）。

图 1：LTM8074 是一款易于使用的开关稳压器，模块封装和整个电路占用空间都非常小。（图片来源：Analog Devices）

只需两个电容器（1 µF 和 10 µF）和两个电阻器即可工作。与 LDO 一样，即插即用，但是封装更小而功率更大。谈及开关稳压器，自然就会联想到电感器。该开关稳压器封装内部嵌入电感器，因此对设计人员而言，电感器算不上 BOM 的一部分，也不会占用额外空间。此外，开关稳压器的 EMI 辐射也相当低，几乎与 LDO 相当（图 2）。

图 2：在 DC2753A 演示板，VOUT＝3.3 V，1.2 A 负载，无 EMI 滤波器的情况下，LTM8074 的 CISPR22 B 类辐射。（图片来源：Analog Devices）

还有另一款类似于 LDO 的微型开关稳压器，即 Texas Instruments 的 LMZ10501 (LMZ10501SILR)。这款 1 A 微型模块的输入电压范围为 2.7 至 5.5 V，输出电压范围为 0.6 至 3.6 V（图 3）。

图 3：Texas Instruments 的 LMZ10501 及电感器均包含在 3.00 mm × 2.60 mm 的封装内。外部只需三个陶瓷电容器和两个电阻器即可工作。（图片来源：Texas Instruments）

LMZ20501 只需三个陶瓷电容器和两个电阻器即可工作，电感器集成在 8 引脚 microSiP 封装内，尺寸仅为 3.00 mm × 2.60 mm（图 4）。有一点很明显：它看起来并不像标准通用 IC。

图 4：Texas Instruments 的 LMZ10501 的电感器是微型模块物理设计的集成元件，从而节省空间和 BOM。（图片来源：Texas Instruments）

一直以来，LDO 在尺寸和易用性方面都拥有比较明显的优势，而这些微型开关稳压器的性能甚至可以与小电流 LDO 相媲美。例如，Maxim Integrated 的 MAXM15462 是一款高能效同步降压 DC-DC 模块，集成了控制器、MOSFET、补偿元件和电感器，并能够在宽输入电压范围内工作（图 5）。该模块的输入电压范围为 4.5 至 42 V，而可编程输出电压范围为 0.9 至 5 V，输出电流最高可达 300 mA。该模块采用 2.6 mm × 3 mm × 1.5 mm 的小尺寸 uSLIC™ 封装，只需三个电容器（两个 1 µF，一个 10 µF）和两个电阻器即可工作。

图 5：论尺寸，即使与小电流 LDO 相比，Maxim Integrated 推出的这款 MAXM15462 开关稳压器（300 mA 输出电流）也依然极具竞争力。（图片来源：Maxim Integrated）

相比同等属性的 LDO，这些微型开关稳压器的优势不仅仅只是更小、更高效。根据所选设备的不同，它们还具有其他的优良特性（有时是非常必要的），例如软启动（以减少输入涌流）、电源良好引脚和可编程欠压锁定 (UVLO) 阈值等等。

放下过去，方能拥抱未来？

有时候我们不得不放弃曾经的偏爱，才能从科技进步中获取便利。我曾经见过工程师在新产品设计中使用了二十年前的运算放大器，这主要是因为他们更熟悉这种运放的特性，用起来更顺手。虽然就某种程度而言，这种策略算是明智，但也有可能会对最终设计造成阻碍，使之无法实现功能更多、花费更少或体积更小。

每年或许仍有无数人将 LDO 等电源稳压器应用于新的设计导入方案。然而，低功耗开关稳压器在增强性能、稳定运行、易于使用和提高能效方面拥有更多优势，而且以很小的封装实现了所有上述功能。尽管最初的冲动可能是将熟悉的 LDO 纳入 BOM，但如果完全不考虑开关稳压器的话，也可以算得上是专业失误。

你们先考虑着如何应用开关稳压器，我去检查一下车里的化油器。我觉得针阀该清洗了，浮子也需要调整了。