為啥LDO的能效不如開關穩壓器

盡管開關穩壓器已步入聚光燈下，但就個人而言，低壓差穩壓器（LDO）仍是我心目中的“白月光”（或許腦海中亦是如此）。原因之一是LDO只專注于一件事情，性能出色且操作簡單，既不讓人頭痛，也沒什么意外。而且我最先接觸的功率調節裝置就是LDO，而在我實際開始構建電路的時候，它的性能表現也相當不錯。即使是現在，需要數伏電壓、約1A電流的電源軌時，我首先想到的仍是LDO，這種只有三個端子的基礎元器件，而不是開關穩壓器。

LDO的能效不如開關穩壓器，這一點是眾所周知的。但是在1A左右的小電流情況下，兩者的區別并不大，而且在特定設計中，影響亦不大。若電流不止數安，這種差距就會比較明顯，此時LDO就不太適用了。不過，除非是需要超低噪聲的電源軌，否則亦無需使用性能出色且噪聲極低的開關穩壓器。除此之外，雖然可以在幾種類型的LDO之間并聯低阻值的泄放電阻以平衡電流，但布局、封裝、BOM和量化性能等方面就會因此變得復雜。

盡管如此，LDO依然是工程師BOM包中的重要組件。正因為操作簡單，所以很多設計人員都像撒芝麻一樣，把LDO“撒”在印刷電路板上所有需要調節電壓的地方，如IC和子電路的周圍，以此最大限度地降低電源軌的IR壓降，減少噪聲拾取以及因電源與負載間距較遠而產生的其他問題。

不過，我估計應用LDO的基礎設計導入或許很快就會退出歷史的舞臺。目前，在簡易性、尺寸、無需外部電源（或仍需要）和總體設計導入的便利性方面，密封式小電流開關穩壓器的屬性都與LDO水平相當。如果在電路中對這些密封式開關穩壓器和LDO進行“黑箱”測試，通常很難區分1安LDO和多安密封式開關穩壓器。

此外，雖然LDO只能降壓，但市面上卻有降壓、升壓，甚至升/降壓開關穩壓器，后者能夠在兩種模式之間進行無縫轉換。這一功能非常重要，許多電路都由單一的鋰電池來驅動，因此需要升/降壓模式來將電池從滿電量狀態調節到稍微放電的狀態。

以LTM8074（LTM8074EY#PBF）為例，這是AnalogDevices推出的一款SilentSwitcherμModule穩壓器（圖1）。該穩壓器具有寬輸入電壓范圍（3.2至40V）和寬輸出電壓范圍（0.8至12V）；可連續輸出1.2A電流（24V輸入電壓和5V輸出電壓的情況下）；輸出電壓為3.3V時，可以達到1.75A的峰值輸出電流。不過，真正吸引我的還是它的尺寸。作為一款BGA設備，該穩壓器的尺寸僅為4mm×4mm×1.82mm（厚）。

只需兩個電容器（1μF和10μF）和兩個電阻器即可工作。與LDO一樣，即插即用，但是封裝更小而功率更大。談及開關穩壓器，自然就會聯想到電感器。該開關穩壓器封裝內部嵌入電感器，因此對設計人員而言，電感器算不上BOM的一部分，也不會占用額外空間。此外，開關穩壓器的EMI輻射也相當低，幾乎與LDO相當（圖2）。

還有另一款類似于LDO的微型開關穩壓器，即TexasInstruments的LMZ10501（LMZ10501SILR）。這款1A微型模塊的輸入電壓范圍為2.7至5.5V，輸出電壓范圍為0.6至3.6V（圖3）。

LMZ20501只需三個陶瓷電容器和兩個電阻器即可工作，電感器集成在8引腳microSiP封裝內，尺寸僅為3.00mm×2.60mm（圖4）。有一點很明顯：它看起來并不像標準通用IC。

一直以來，LDO在尺寸和易用性方面都擁有比較明顯的優勢，而這些微型開關穩壓器的性能甚至可以與小電流LDO相媲美。例如，MaximIntegrated的MAXM15462是一款高能效同步降壓DC-DC模塊，集成了控制器、MOSFET、補償元件和電感器，并能夠在寬輸入電壓范圍內工作（圖5）。該模塊的輸入電壓范圍為4.5至42V，而可編程輸出電壓范圍為0.9至5V，輸出電流最高可達300mA。該模塊采用2.6mm×3mm×1.5mm的小尺寸uSLIC?封裝，只需三個電容器（兩個1μF，一個10μF）和兩個電阻器即可工作。

相比同等屬性的LDO，這些微型開關穩壓器的優勢不僅僅只是更小、更高效。根據所選設備的不同，它們還具有其他的優良特性（有時是非常必要的），例如軟啟動（以減少輸入涌流）、電源良好引腳和可編程欠壓鎖定（UVLO）閾值等等。

有時候我們不得不放棄曾經的偏愛，才能從科技進步中獲取便利。我曾經見過工程師在新產品設計中使用了二十年前的運算放大器，這主要是因為他們更熟悉這種運放的特性，用起來更順手。雖然就某種程度而言，這種策略算是明智，但也有可能會對最終設計造成阻礙，使之無法實現功能更多、花費更少或體積更小。

每年或許仍有無數人將LDO等電源穩壓器應用于新的設計導入方案。然而，低功耗開關穩壓器在增強性能、穩定運行、易于使用和提高能效方面擁有更多優勢，而且以很小的封裝實現了所有上述功能。盡管最初的沖動可能是將熟悉的LDO納入BOM，但如果完全不考慮開關穩壓器的話，也可以算得上是專業失誤。