Buck oder LDO: Eine Leistungstopologie wählen

Buck oder LDO: Eine Leistungstopologie wählen

Zwei Zahlen entscheiden über das meiste: die Spannungsdifferenz und der Laststrom. Ihr Produkt ist die Verlustwärme, und die Wärme entscheidet über die Topologie.

Kurze Antwort

(Vin − Vout) × Iout unter ~1 W: Ein LDO ist einfacher, rauschärmer und günstiger.
Über ~1 W: ein Abwärtswandler, weil die Wärme nirgendwohin entweichen kann.
Rauschkritische Versorgungsschiene: zweistufig — Abwärtswandler auf eine Zwischenschiene, LDO für den letzten Spannungsabfall.
Headroom prüfen: Ein LDO benötigt eine Mindestdifferenz Vin − Vout; darunter funktioniert nichts.

1. Zuerst entscheidet die Effizienz

Efficiency of an LDO versus input voltage compared with a buck converter — Abbildung 1 — Der LDO-Wirkungsgrad ist Vout/Vin; ein Buck bleibt über den Bereich nahe bei 90 %.

Bei 5 V Eingang und 3.3 V Ausgang liegt der Wirkungsgrad eines LDO bei etwa 66 % — akzeptabel. Bei 12 V sind es 27.5 %, und bei 24 V sind es unter 14 %. Der Rest wird zu Wärme in einem Gehäuse, das nie dafür ausgelegt wurde, sie abzuführen.

2. Wärme entscheidet als Zweites

Power loss versus output current for LDOs at 5, 9 and 12 V input and a buck converter — Abbildung 2 — Beim LDO steigen die Verluste linear mit dem Strom; beim Buck bleiben sie niedrig.

P = (Vin - Vout) x Iout

12 V -> 3.3 V bei 0.5 A: 4.35 W
5 V  -> 3.3 V bei 0.5 A: 0.85 W
12 V -> 3.3 V bei 0.1 A: 0.87 W

Die 1-W-Regel ist eine Ausgangsschwelle, kein physikalisches Gesetz: Sie entspricht dem Punkt, an dem ein kleines SMD-Gehäuse beginnt, Kupfer, Vias und eine Derating-Tabelle zu benötigen. Darunter ist ein LDO üblicherweise die richtige technische Wahl; darüber amortisiert sich der Buck durch die geringere Wärme.

Schiene	LDO ist bis zu	Oberhalb davon
5 V → 3.3 V	≈ 0.5 A	Buck
9 V → 5 V	≈ 0.25 A	Buck
12 V → 3.3 V	≈ 0.11 A	Buck
24 V → 12 V	≈ 0.08 A	Buck

Was ein LDO bringt

Eigenschaft	LDO	Buck
Output noise	Low, no switching	Ripple at fsw
EMI	None	Requires layout care
External parts	Two capacitors	Inductor plus capacitors
Transient response	Fast, limited by bandwidth	Good, with more design
Efficiency at high Vin	Poor	Good

Für ein analoges Frontend, eine Sensorreferenz oder eine PLL-Versorgung ist der saubere Ausgang des LDO mehr wert als die Effizienz. Bei einer digitalen Versorgungsschiene, die einen MCU und ein Display speist, gewinnt meist die Effizienz des Buck.

4. Die Entscheidungskarte

Load current versus input-output difference with a 1 W boundary — Abbildung 3 — Unterhalb der Kurve ein LDO; oberhalb ein Buck. Die Kurve ist P = 1 W.

Die Kurve ist einfach (Vin − Vout) × I = 1 W. Bei 12 V auf 3.3 V schneidet sie bei 115 mA; bei 5 V auf 3.3 V schneidet sie bei 590 mA. Diese einzelne Linie beantwortet die meisten Fragen, bevor Kosten oder Rauschen ins Spiel kommen.

5. Kosten und Fläche

Relative BOM cost and board area for LDO, buck and two-stage — Bild 4 — Der Buck-Wandler benötigt mehr Bauteile; der Unterschied ist klein gegenüber dem thermischen Design, das er ersetzt.

Ein Buck-Wandler erfordert zusätzlich eine Induktivität, mehr Kondensatoren und Layout-Arbeit. Bei niedrigem Strom ist das mehr, als der LDO kostet. Bei höherem Strom können die Kupferflächen und Thermal-Vias des LDO genauso viel kosten wie die Induktivität — und der Buck-Wandler führt die Wärme ab, statt sie zu verteilen.

6. Zweistufig

Two-stage power design with a buck to an intermediate rail and an LDO for the final output — Bild 5 — Buck-Wandler für den Spannungsabfall, LDO für den sauberen Ausgang. Der LDO setzt jetzt eine kleine, bekannte Verlustleistung um.

Beispiel: 12 V auf 3.3 V bei 0.5 A. Buck 12→5 V bei 90 %, dann LDO 5→3.3 V. Der Gesamtverlust beträgt etwa 0.18 W im Buck plus 0.85 W im LDO — weiterhin 1 W, also braucht der LDO weiterhin Kupfer. Verschiebt man die Zwischenschiene mit einem enger dimensionierten Buck-Wandler auf 3.6 V, wird der Abfall am LDO 0.15 W.

Zwischenschiene	LDO-Verlust bei 0.5 A	Kommentar
5.0 V	0.85 W	Still needs copper
4.0 V	0.35 W	Check LDO headroom
3.6 V	0.15 W	Tight but common for 3.3 V

Je niedriger die Zwischenschiene, desto weniger Verlustleistung setzt der LDO um — aber desto präziser muss der Buck regeln, und desto weniger Headroom hat der LDO bei Lastsprüngen. 4.0 V ist üblicherweise der praktische Kompromiss.

6b. Checkliste

Prüfen	Bestanden
(Vin − Vout) × I	Below 1 W for an LDO
LDO headroom	Vin − Vout above dropout at min temperature
Thermal	Tj below 100 °C at max ambient
Noise	Buck ripple acceptable, or two-stage
Enclosure	Ambient measured inside, not on the bench

7. FAQ

Kann ein LDO bei 1 A einen Buck ersetzen?

Nur wenn die Spannungsdifferenz klein ist. 5 V auf 3.3 V bei 1 A sind 1.7 W – zu viel für die meisten SMD-LDOs ohne erhebliche Kupferfläche.

Ist ein Buck immer verrauschter?

Bei der Schaltfrequenz ja. Mit gutem Layout, einer gut gewählten Induktivität und Ausgangsfilterung kann die Welligkeit einige zehn Millivolt betragen – für digitale Schaltungen in Ordnung, für analoge nicht immer.

Warum nicht immer einen Buck verwenden?

Kosten, Komplexität, EMI und Boardfläche. Für eine Last von 20 mA ist ein LDO die bessere technische Antwort.

Was ist mit dem Headroom?

Ein LDO benötigt einen Mindestwert für Vin − Vout; darunter folgt der Ausgang dem Eingang minus Dropout. Prüfen Sie das Datenblatt, besonders bei niedriger Temperatur.

Kann ich LDOs parallelschalten?

Nicht zuverlässig; sie teilen den Strom nicht. Verwenden Sie ein einzelnes Bauteil, das für den Strom ausgelegt ist, oder einen Buck.

Spielt die Schaltfrequenz für die Auswahl eine Rolle?

Sie legt die Induktorgröße und die Welligkeit fest. Eine höhere Frequenz verkleinert den Induktor, erhöht jedoch die Schaltverluste und EMI.

8. Quellen

Datenblätter für Linearregler und Abwärtswandler – Dropout, Wirkungsgradkurven, Wärmewiderstand.
Applikationsschriften zur Auswahl zwischen LDO und Schaltregler (TI, Analog Devices).
IEC/CISPR-Emissionsnormen für die EMI-Seite des Vergleichs.