眾所周知，電子設(shè)備能夠正常啟動的首要前提就是需要有一個合適、穩(wěn)定、可靠的電源供電。

嵌入式開發(fā)板中除核心板外，底板上也需要電源為器件以及連接的外圍設(shè)備進(jìn)行供電，例如：外接的 U 盤，攝像頭等。底板上的器件種類較多,所需要的供電電壓也不同，常用的供電電壓有：12V、5V、3.3V、1.5V 等。特別提醒，在最小系統(tǒng)板上5V與3.3V電源扮演關(guān)鍵角色，它們經(jīng)由高性能DC/DC轉(zhuǎn)換芯片MP2147GD精準(zhǔn)輸出。

在嵌入式技術(shù)領(lǐng)域兩種主流的電壓調(diào)節(jié)技術(shù)是LDO（線性穩(wěn)壓器）與DC/DC轉(zhuǎn)換器。DC/DC轉(zhuǎn)換技術(shù)尤其靈活，涵蓋降壓(buck)、升壓(boost)及升降壓(buck-boost)等多種電路結(jié)構(gòu)，適應(yīng)廣泛的應(yīng)用場景。針對不同的功率需求，DC/DC轉(zhuǎn)換器采納PWM（脈沖寬度調(diào)制）、PFM（脈沖頻率調(diào)制）或混合PWM/PFM控制策略，其中PWM確保高效率與優(yōu)良的輸出穩(wěn)定性，PFM在輕載下能效卓越，而混合模式則智能地結(jié)合兩者優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)能效與輸出質(zhì)量的最優(yōu)化。

接下來，將和各位小伙伴深入探討DC/DC轉(zhuǎn)換器與LDO的具體工作原理，方便大家全面理解兩者的優(yōu)勢與局限。

DC/DC-BUCK型電路

如下圖展示，此為一個標(biāo)準(zhǔn)DC/DC-BUCK轉(zhuǎn)換電路的結(jié)構(gòu)概覽。該電路核心元件包括：輸入電容Cin、開關(guān)MOS管Q1、二極管D1、電感L1、輸出電容Cout以及負(fù)載R1。

各器件的關(guān)鍵特性概述

1、電容有阻礙電壓突變的特性，所以可以儲存和釋放電能，且極性不變；

2、開關(guān)MOS管可以等效為開關(guān)，可以斷開和導(dǎo)通連接；

3、二極管具有單項(xiàng)導(dǎo)通特性；

4、電感有阻礙電流突變的特性，因此也可以儲存電能，但充放電時極性相反。

那接下來分析一下這套電路是如何實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換功能的：

當(dāng)開關(guān)管Q1導(dǎo)通時，電流經(jīng)Q1，L1，R1形成回路，此過程中會給電感和輸出電容Cout充電，并且D1是不導(dǎo)通的。

當(dāng)開關(guān)管Q1斷開時，由于電感有阻礙電流突變的特性，電流經(jīng)過R1、D1形成回路，此過程電容和電感會為負(fù)載進(jìn)行供電；如此循環(huán)往復(fù)，Vout會輸出一個穩(wěn)定電壓。

為了控制輸出電壓值，需要對輸出電壓進(jìn)行采樣，當(dāng)輸出高于所需電壓時開關(guān)管斷開，反之開關(guān)管導(dǎo)通。因此可以看出，控制輸出電壓值的其實(shí)是開關(guān)管的開關(guān)時間，即控制信號的占空比而非開關(guān)頻率。

同步BUCK與異步BUCK電路

以上兩圖均描繪了DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器的電路原理，其差異在于下圖以第二個開關(guān)管Q2替換了上圖中的二極管D1。值得注意的是Q1和Q2不會同時導(dǎo)通。盡管兩張圖基本工作原理相似，但下圖通過采用開關(guān)管而非二極管，顯著降低了功耗，我們稱此為同步DC/DC轉(zhuǎn)換電路。相反，使用二極管的傳統(tǒng)設(shè)計被稱為異步DC/DC轉(zhuǎn)換電路。

簡言之，異步DC/DC轉(zhuǎn)換器因設(shè)計簡易而門檻較低，但同步DC/DC轉(zhuǎn)換器憑借更高的效率展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。這一改變，實(shí)質(zhì)上是從二極管的被動放電路徑邁向了更為高效的開關(guān)控制，從而優(yōu)化了能源利用。

DC/DC:BOOST 升壓

上圖為DC/DC-BOOST型電路的典型電路原理，其中包括的器件有：輸入電容Cin、電感L1、開關(guān)MOS管Q1、二極管D1、輸出電容Cout以及負(fù)載R1。

那接下來先分析一下這套電路是如何實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換功能的：

當(dāng)開關(guān)管Q1導(dǎo)通時，電流經(jīng)L1，Q1形成回路，此過程中會給電感充電，并且由于開關(guān)管的導(dǎo)通，D1是是被短路的。

當(dāng)開關(guān)管Q1斷開時，回路消失，二極管D1導(dǎo)通，電流經(jīng)過負(fù)載R1形成新的回路，此過程電源和電感會為負(fù)載進(jìn)行供電，同時給輸出電容Cout充電；由此可以看出，由于電感存儲的電能是與電源進(jìn)行了串聯(lián)，所以實(shí)現(xiàn)了電壓的升壓。如此循環(huán)往復(fù)，Vout會輸出一個穩(wěn)定電壓。

同樣的，為了控制輸出電壓值，需要對輸出電壓進(jìn)行采樣，通過采樣電壓來控制MOS管的通斷，來保證輸出電源的穩(wěn)定。當(dāng)然，控制電壓的依然是控制信號的占空比而非頻率。

BOOST電路也存在同步和異步的差異，因?yàn)閮?yōu)缺點(diǎn)和之前的BUCK電路相同。

DC/DC:BUCK-BOOST

這兩張圖的原理相近，將Q4設(shè)置為常閉，Q3設(shè)置為常開，就成了上面的原理圖，這個就是典型的同步BUCK電路；同理將Q1設(shè)置為常閉，Q2設(shè)置為常開，這就是一個典型的BOOST電路。所以知道了基本原理，是可以把復(fù)雜的問題簡單化的。

LDO

LDO，即低壓差線性穩(wěn)壓器，為了方便大家理解，暫時把LDO簡單的理解為電阻分壓。由于是電阻分壓實(shí)現(xiàn)的電壓轉(zhuǎn)換，那一些缺點(diǎn)也就顯而易見了。比如LDO是不可以用在升壓電路的，原理等同于電阻分壓，當(dāng)電流越大時，電阻R1上所消耗的功耗也會越大，而這一部分消耗，是完全用不到的。因此，LDO普遍的功率都不高。

總結(jié)

LDO(low dropout regulator)是“低壓差線性穩(wěn)壓器”的簡稱，低壓差是指輸入電壓和輸出電壓之間的壓差較低。在 LDO 內(nèi)部通過 Pmos、誤差放大器、電壓基準(zhǔn)源、保護(hù)電路等結(jié)構(gòu)組成實(shí)現(xiàn)線性穩(wěn)壓功能。結(jié)合上述內(nèi)容，LDO 的特點(diǎn)也就是效率低，但紋波小，成本低。

DC/DC 是直流-直流電壓變換器，用于電源電路中的電壓變換。DC/DC 轉(zhuǎn)換器的工作原理是通過開關(guān)管的開關(guān)動作，周期性地將輸入電能傳輸?shù)侥芰看鎯υ校缓笤購哪芰看鎯υ嗅尫泡敵鲭娔堋Ｍㄟ^調(diào)整開關(guān)管的導(dǎo)通和截止時間，可以控制直流電能在能量存儲元件中的流動和輸出電壓的大小。DC/DC 的優(yōu)點(diǎn)是效率高，電壓范圍寬，可以做到較大跨度的電壓變換，但是DC/DC 的輸出紋波較大而且成本較高。

洞悉了DC/DC轉(zhuǎn)換器與LDO的運(yùn)作機(jī)理及其各自的長短處后，衷心期待每位小伙伴在嵌入式技術(shù)的實(shí)踐道路上滿載而歸，實(shí)現(xiàn)知識與技能的雙重豐收。