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技術(shù)專(zhuān)題
測試 LDO 效率的極限
測試 LDO 效率的極限
如果您要設計的電路板由除臺式穩壓電源以外的任何電源供電,您需要選擇一個(gè)電源調節器以放置在您的電路板上。就像任何其他組件一樣,您的穩壓器已經(jīng)說(shuō)明了您將在產(chǎn)品摘要中看到的操作規格,并且您可以在數據表中找到更詳細的規格。數據表中的細節很容易被忽視,但它們是決定組件將如何與系統其余部分交互的主要因素。
LDO 等電源穩壓器在您的設計中易于放置和使用。它們實(shí)際上是即插即用的,最簡(jiǎn)單的固定輸出 LDO 需要 3 個(gè)端子和幾個(gè)外部電阻器才能正確使用。不能保證 LDO 效率處于特定值,但該值與您的電路板在操作期間可以訪(fǎng)問(wèn)的電流限制有關(guān)。在將高壓輸入連接到 LDO 之前,請務(wù)必閱讀這些指南以確保您可以提供足夠的電源。
什么決定了 LDO 的效率?
LDO 很簡(jiǎn)單,工作原理相同:組件將輸入電壓降低到所需的輸出,多余的電能以熱量的形式消散。LDO 可通過(guò)分壓器進(jìn)行外部調節,您需要一些輸入/輸出電容來(lái)進(jìn)行額外的濾波。每個(gè) LDO 都有一個(gè)簡(jiǎn)單的公式來(lái)確定效率:
LDO 效率方程。
當輸入接近輸出電壓時(shí),效率接近100%。請注意,此公式僅適用于電壓差(輸出 - 輸入)高于壓差電平(通常在低電流時(shí)小于 1 V,在高電流時(shí)高達 1.5 V)的情況。只要您處于這種狀態(tài),LDO 就會(huì )正確調節輸入以產(chǎn)生低噪聲、低紋波的輸出。最簡(jiǎn)單的 LDO 會(huì )輸出一個(gè)固定值,或者可以根據需要使用外部電阻調整輸出。由于輸出電壓固定在某個(gè)值,增加輸入電壓不會(huì )繼續增加輸出,因此效率降低。
那么以上幾點(diǎn)有什么問(wèn)題呢?效率突然下降的地方在哪里?要看到這一點(diǎn),我們必須查看輸出電壓和電流。在高輸入電壓差下,效率和功率輸出會(huì )下降。
輸出電壓和電流
您應該在 LDO 數據表中查看一個(gè)重要的規范:短路電流。這實(shí)際上是設備可以提供的最大電流,并且該值將隨輸入電壓差而變化。請記住,輸出電壓和電流是固定的,如果輸入電壓增加,則不會(huì )增加,因此最佳實(shí)踐要求輸入應略高于輸出電壓值。這就是為什么您通常會(huì )看到 LDO 用于小降壓,例如 5 V 至 3.3 V 以滿(mǎn)足已知電流要求。
在考慮短路電流和電壓差時(shí),還有一點(diǎn)很重要。當 LDO 由非常高的電壓差驅動(dòng)時(shí),短路電流也會(huì )降低。這相當重要,因為一些 LDO,例如具有 3.3 V 輸出的 LDO,將具有高達 30 V 的輸入電壓容限。在高輸入電壓差時(shí),短路電流將下降并受到限制,這將限制總功率輸出。
下面的示例顯示了Linear LT1086CM的短路電流與輸入差分曲線(xiàn)。
LT1086CM 短路電流。
該組件具有一系列可能的輸出,對輸入電壓有很高的限制。如果您在高輸入(高于 20 V 電壓差)下運行,該組件將不會(huì )提供超過(guò) 100 mA 的電流。在為您的電路板選擇法規策略以及確定潛在的溫升時(shí),需要考慮這一點(diǎn)。
熱量和溫升
由于損失的功率以熱量的形式耗散,因此在您的設計中也應考慮這一點(diǎn)。LDO 中的損耗功率等于:
LDO 散熱率(W)。
同樣,當輸入和輸出電壓接近時(shí),功率損耗最小,但以幾安培的輸出電流以高差分運行會(huì )導致過(guò)熱和故障。
舉個(gè)例子,LDO 的典型結到環(huán)境熱阻值約為 25 攝氏度/瓦。LDO 可能會(huì )燒壞并出現故障。讓我們看一下上面的例子,LT1086 以 25V 的電壓差驅動(dòng),負載需要 1.5A。由于高輸入時(shí)的電流限制,在這種情況下以大約 2.5W 的速率產(chǎn)生熱量,相當于外殼溫升約62.5攝氏度。如果您在低輸入范圍的高端附近工作,在 1.5 A 時(shí)的電壓差僅為 8 V,則將耗散約 12 W,從而使溫度升高約 300 攝氏度。后一種情況將導致組件失敗。
結論:如果使用得當,LDO 會(huì )很棒
如果您使用的是 LDO,請確保保持在正確的操作范圍內,以確保設備按您的預期工作。如果您不介意產(chǎn)生大量熱量并在低電流下工作,那么您可以隨意在高輸入電壓和大電壓差下運行 LDO。準備好接受這種安排中非常低的效率。相反,如果您在預期輸入范圍內操作設備(您可以從數據表中的幾張圖表中看出這一點(diǎn)),您將獲得盡可能高的效率、低壓差和高可用電流。
一種好的安排是將開(kāi)關(guān)穩壓器作為主穩壓器,并將輸出連接到 LDO。開(kāi)關(guān)穩壓器很好,因為它們使用電抗電路而不是電阻元件來(lái)調制輸出功率,但這會(huì )在輸出端產(chǎn)生開(kāi)關(guān)噪聲。但是,使用 LDO 可提供高達 ~100 kHz 頻率的額外調節。
帶有降壓轉換器和 LDO 的功率調節鏈。
另一種選擇是將您的線(xiàn)路電壓直接轉換為略高于壓差電壓的值。不幸的是,對于真正的組件,您不能僅僅轉換為您想要的任何值,您必須使用具有特定匝數比的現成組件。降低 LDO 所需的特定輸入電壓可能需要定制變壓器,因此在嘗試調節線(xiàn)路電壓以用于 LDO 之前,請記住這一點(diǎn)。