Wie spart DCDC Strom gegenüber einem LDO?

Es ist nicht so, dass ein DCDC ( Buck Regulator ) Strom spart, sondern dass ein LDO Strom verschwendet .

Tatsächlich wandelt ein Abwärtsregler die Spannungsdifferenz in mehr verfügbaren Strom um.
Ein LDO wandelt die Spannungsdifferenz in Wärme um, und Wärme ist ein Abfallprodukt, das Sie nicht wirklich wollen.

Ein LDO, der beispielsweise 12 V auf 5 V herunterregelt, muss 7 V absenken und diese Leistung als Wärme abführen. Je mehr Strom Sie ziehen, desto mehr Wärme wird erzeugt. Wenn Sie durch dieses Beispiel 1 A ziehen (5 W), zieht es wiederum 1 A aus der Stromquelle (12 W), sodass es 7 W Leistung an die Atmosphäre verlieren muss.

Ein perfekter (es gibt sie nicht, aber zur Veranschaulichung) Abwärtsregler, der von 12 V auf 5 V geht, mit einem Ausgang von 1 A (5 W) würde wiederum 5 W von der Stromquelle ziehen, was bei 12 V 417 mA wäre.

Natürlich gibt es, wie ich schon sagte, keine perfekten Abwärtsregler und es gibt immer noch Verluste, also würde es tatsächlich etwas mehr aus der Quelle ziehen - eher etwa 6 W oder 500 mA. Immer noch deutlich weniger als ein LDO.

Buck-Regler haben jedoch auch Nachteile:

• Die sind laut . Sie funktionieren durch schnelles Ein- und Ausschalten des Stroms, was zu höheren abgestrahlten und leitungsgebundenen Emissionen führt.
• Sie sind schwieriger anzulegen . Um die EMI-Emissionen niedrig zu halten und sie den Konformitätstest bestehen zu lassen, muss ein sorgfältiges Layout auf der Leiterplatte in Betracht gezogen werden.
• Sie verwenden mehr Komponenten . Ein LDO besteht typischerweise aus einem Chip und einigen Kondensatoren. Buck-Regler benötigen (normalerweise) auch mindestens eine Diode und eine Induktivität.

All dies führt dazu, dass Buck-Regler teurer sind als LDOs.

LDO ist hier ein irrelevanter Begriff - die Hauptunterschiede sind "Linear" versus "Switched".
LDO bedeutet, dass Vin-Vout auf Wunsch sehr klein sein kann, ABER die Effizienz wird davon bestimmt, was Vin IST, nicht was es im schlimmsten Fall sein kann.

Ich verwende SMPS für "Switched Mode Power Supply" und LPS für Linear Power Supply.

Für ein LPS
ist Iin = Iout. Vout wird lastgerecht eingestellt.
Also Power in = Vin x Iin = Vin x Iout
Power Out = Vout x Iout
Also Effizienz
= Power out/Power in
= (Vout/Iout) / (Vin/Iout)
Effizienz = Vout / Vin
Also, für eine feste Vout, Effizienz fällt linear, wenn Vin ansteigt

Für ein SMPS
ist Power_out = Power_in x Z
Z die Umwandlungseffizienz und variiert je nach Wandlertyp, Ein- und Ausgangsspannungen und deren Verhältnis, Leistungspegeln und mehr. Aber als Richtlinie: Ein nicht isolierter "Buck"-Downkonverter kann Folgendes erreichen:

• 98 % Super-Platz bewertet, keine Kosten ausgeschlossen, ultra-optimiert + Glück

• 95 % Best Practice der Branche, sorgfältiges Design und Herstellung, wahrscheinlich über begrenzte Reichweite

• 90 %+ Gutes Design im besten Teil des Sortiments
• 80 % - 90 % Die meisten Designs in einem großen Sortiment. Normalerweise nicht bei sehr hohen oder sehr niedrigen Lasten oder hohen Spannungsverhältnissen
• < 80 % Extreme Bedingungen, Batterieende, sehr leichte oder starke Belastung etc.

Als Faustregel gilt, dass die meisten SMPS in den meisten Fällen einen Wirkungsgrad von 85 % bis 95 % bieten.

So -

Ein LPS, das mit Vin = 9 V und Vout = 3,3 V arbeitet, hat einen Wirkungsgrad von 3,3/9 = 37 %.
Außer in extremen Fällen sollte jedes SMPS, das es nicht besser kann, mit einem Pfahl im Herzen an einem Scheideweg begraben werden.

• Ein System kann eine nominale 9-V-PP3-Alkalibatterie mit
  Vnew von etwa 6 x 1,65 V/Zelle = 9,9 V (nicht lange) und
  Vdead von etwa 6 x 0,9 V 5,4 V verwenden -
  also die Effizienz eines 3V3-Linearreglers, der damit arbeitet Die Batterie variiert stark mit dem Ladezustand.

Ein LPS, das mit Vin = 5 V und Vout = 3,3 V arbeitet, hat einen Wirkungsgrad von 3,3/5 = 66 %.
Die meisten SMPS sind besser, außer in extremen Fällen.

Ein LPS mit einer LiFePO4-Batterie, die von 3,5 V bis hinunter zu 3,1 V betrieben wird und eine LED bei 3,0 V betreibt, hat einen Wirkungsgrad von 3/3,5 bis 3,1/3,5 = ~= 86 % bis 97 % - dh der Wirkungsgrad steigt, wenn sich Vin Vout nähert.
In diesem Fall liegt der durchschnittliche Wirkungsgrad über einen Großteil des Batteriebereichs bei etwa 91 % bis 94 %.
Nur die besten SMPS-Abwärtsregler hätten einen höheren Wirkungsgrad, und ein Linearregler könnte hier durchaus eine gute Wahl sein.

• Hinweis: Ich habe eine Reihe von Produkten entwickelt, die eine oder mehrere weiße LED(s) mit niedrigem Vf mit einer einzigen LiFePO4-Zelle betreiben - raten Sie mal, welche Art von Regler ich verwendet habe :-).
  [Die verwendeten LEDs wurden sorgfältig ausgewählt, um unter allen gewünschten Betriebsbedingungen mit 3 V oder weniger zu arbeiten. ]

Ein Regler wird in Situationen verwendet, in denen die Last Elektronen mit weniger Energie (pro Elektron) benötigt als die von der Quelle abgegebenen. Ein Linearregler nimmt Elektronen von der Quelle, verschwendet etwas Energie von jedem und führt sie dann der Last zu. Jedes Mal, wenn ein Elektron von der Last kommt, muss ein Elektron von der Quelle kommen.

Ein Buck-Regler leitet Elektronen durch einen Induktor, der Energie von einigen aufnehmen und Energie an andere abgeben kann. Es verhält sich anfangs wie ein linearer Regler – er leitet Elektronen durch den Induktor (der einen Teil ihrer Energie entnimmt) und dann die Last – aber sobald der Induktor ein wenig Energie gespeichert hat, trennt ein Schalter die Quelle und beginnt mit der Einspeisung Elektronen, die von der Last zurückkehren. Diese Elektronen haben nicht genug Energie, um die Last erneut anzutreiben, aber da der Induktor gerade etwas Energie gespeichert hat, kann der Induktor seine gespeicherte Energie verwenden, um diese Elektronen wieder mit Energie zu versorgen und sie durch die Last zurückzuschicken.

Wenn man zB mit 10 Volt anfängt und die Induktivität 1/3 der Zeit mit der Quelle und 2/3 der Zeit mit dem Lastrückleiter verbindet, dann muss nur noch ca. 1/3 des durch die Last fließenden Stroms kommen von der Quelle. Da ein Induktor Fluss mit einer Rate proportional zur angelegten Spannung (abzüglich Verluste) hinzufügt oder entfernt und der durchschnittliche integrierte Fluss null sein muss, bedeutet dies, dass die durchschnittliche Spannung (abzüglich Verluste) null sein muss. Da der Induktor doppelt so stark mit der Last verbunden ist wie mit der Versorgung, bedeutet dies, dass beim Anschluss an die Versorgung doppelt so viel Spannung abfallen muss wie beim Anschluss an die Last. Somit fällt der Induktor etwa 6,7 ​​Volt ab, wenn er mit der Versorgung verbunden ist, und erzeugt 3,3 Volt, wenn er mit der Last verbunden ist.