Buck of LDO: Een vermogenstopologie kiezen

Buck of LDO: Een vermogenstopologie kiezen

Twee getallen bepalen het meeste: het spanningsverschil en de belastingsstroom. Hun product is de warmte, en de warmte bepaalt de topologie.

Kort antwoord

(Vin − Vout) × Iout onder ~1 W: een LDO is eenvoudiger, ruisarmer en goedkoper.
Boven ~1 W: een buckconverter, omdat de warmte nergens heen kan.
Ruisgevoelige rail: tweetraps — buck naar een tussenrail, LDO voor de laatste spanningsval.
Controleer de spanningsruimte: een LDO heeft een minimale Vin − Vout nodig; daaronder werkt niets.

1. Efficiëntie geeft als eerste de doorslag

Efficiency of an LDO versus input voltage compared with a buck converter — Figuur 1 — LDO-rendement is Vout/Vin; een buck blijft over het hele bereik rond 90 %.

Bij 5 V ingang en 3.3 V uitgang is een LDO ongeveer 66 % efficiënt — acceptabel. Bij 12 V is dat 27.5 %, en bij 24 V is het minder dan 14 %. De rest wordt warmte in een behuizing die nooit ontworpen is om die af te voeren.

2. Warmte beslist als tweede

Power loss versus output current for LDOs at 5, 9 and 12 V input and a buck converter — Figuur 2 — Verlies groeit lineair met de stroom voor de LDO; de buck blijft laag.

P = (Vin - Vout) x Iout

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

De 1 W-regel is een startdrempel, geen natuurkundige wet: hij komt overeen met het punt waarop een kleine SMD-behuizing koper, via's en een deratingtabel nodig begint te hebben. Daaronder is een LDO meestal de juiste technische keuze; daarboven verdient de buck zichzelf terug in warmte.

Voedingsrail	LDO is prima tot	Daarboven
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

3. Wat een LDO je oplevert

Eigenschap	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

Voor een analoge front-end, een sensorreferentie of een PLL-voeding is de stille output van de LDO meer waard dan de efficiëntie. Voor een digitale rail die een MCU en een display voedt, wint de efficiëntie van de buck meestal.

4. De beslissingskaart

Load current versus input-output difference with a 1 W boundary — Figuur 3 — Onder de curve een LDO; erboven een buck. De curve is P = 1 W.

De curve is gewoon (Vin − Vout) × I = 1 W. Bij 12 V naar 3.3 V kruist deze bij 115 mA; bij 5 V naar 3.3 V kruist deze bij 590 mA. Die ene lijn beantwoordt het grootste deel van de vraag voordat kosten of ruis een rol spelen.

5. Kosten en oppervlak

Relative BOM cost and board area for LDO, buck and two-stage — Figuur 4 — De buck kost meer onderdelen; het verschil is klein naast het thermische ontwerp dat hij vervangt.

Een buck voegt een inductor, meer condensatoren en layoutwerk toe. Bij lage stroom is dat meer dan de LDO kost. Bij hogere stroom kunnen de koper- en thermische via's van de LDO net zoveel kosten als de inductor — en de buck verwijdert de warmte in plaats van deze te spreiden.

6. Tweetraps

Two-stage power design with a buck to an intermediate rail and an LDO for the final output — Figuur 5 — Buck voor de spanningsval, LDO voor de schone uitgang. De LDO dissipeert nu een kleine, bekende hoeveelheid.

Voorbeeld: 12 V naar 3.3 V bij 0.5 A. Buck 12→5 V bij 90 %, daarna LDO 5→3.3 V. Totaal verlies is ongeveer 0.18 W in de buck plus 0.85 W in de LDO — nog steeds 1 W, dus de LDO heeft nog steeds koper nodig. Verschuif de tussenrail naar 3.6 V met een strakkere buck en de LDO-spanningval wordt 0.15 W.

Tussenrail	LDO-verlies bij 0.5 A	Commentaar
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

Hoe lager de tussenrail, hoe minder de LDO dissipeert — maar hoe nauwkeuriger de buck moet regelen, en hoe minder headroom de LDO heeft bij belastingsprongen. 4.0 V is meestal het praktische compromis.

6b. Checklist

Controleren	Geslaagd
(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

Kan een LDO bij 1 A een buck vervangen?

Alleen als het spanningsverschil klein is. 5 V naar 3.3 V bij 1 A is 1.7 W — te veel voor de meeste SMD-LDO's zonder aanzienlijk koper.

Is een buck altijd ruisiger?

Bij de schakelfrequentie wel. Met een goede lay-out, een goed gekozen spoel en uitgangsfiltering kan de rimpel tientallen millivolt zijn — prima voor digitaal, niet altijd voor analoog.

Waarom niet altijd een buck gebruiken?

Kosten, complexiteit, EMI en printplaatruimte. Voor een belasting van 20 mA is een LDO het betere technische antwoord.

Hoe zit het met de headroom?

Een LDO heeft een minimale Vin − Vout nodig; daaronder volgt de uitgang de ingang minus de dropoutspanning. Controleer de datasheet, vooral bij lage temperatuur.

Kan ik LDO's parallel schakelen?

Niet betrouwbaar; ze delen de stroom niet. Gebruik één component dat voor de stroom is gespecificeerd, of een buck.

Maakt de schakelfrequentie uit voor de keuze?

Het bepaalt de grootte van de inductor en de rimpel. Een hogere frequentie verkleint de inductor, maar verhoogt de schakelverliezen en EMI.

8. Bronnen

Datasheets van lineaire regelaars en buckconverters — dropout, efficiëntiecurves, thermische weerstand.
Application notes over de keuze tussen LDO en schakelregelaar (TI, Analog Devices).
IEC/CISPR-emissienormen voor de EMI-kant van de vergelijking.