淺談高壓線性穩(wěn)壓器的局限及其解決辦法

上期文章介紹了一款輸入電壓可達 80V 的線性穩(wěn)壓器 RT9072，它的負載能力為 20mA，輸出電壓可在1.25V~60V 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。如果你的輸入電壓是 60V，負載需要 3.3V 電壓，其電流消耗恰好是 20mA，可不可以選擇 RT9072 來完成這一任務呢？

讓我們先來計算一下這個應用將會落在線性穩(wěn)壓器上的功耗

上面這個計算結(jié)果的單位是 W，即 60V 的輸入經(jīng)過 RT9072 生成 3.3V 輸出，假如負載電流為 20mA，將會有 1.134W 的功耗落在 RT9072 上，這已經(jīng)遠遠超出了 RT9072 的承載能力，因為它的封裝是SOT-23-5，規(guī)格書給出它在 25℃ 環(huán)境溫度下的最大功率耗散能力是 0.45W，所以可以非常容易地得出判斷：RT9072 不能滿足這一應用的需求。

上面的計算是按照負載電流持續(xù)存在的情況來進行的，但實際上所謂的功耗是一個即時的量，它在器件內(nèi)部的作用是轉(zhuǎn)化為熱。熱一旦生成就會使承載它的物質(zhì)的溫度升高，并且同時開始向其周圍溫度較低的部分傳導，傳導的過程會受到一定的阻力，這個特性被稱為熱阻，而不同物質(zhì)的熱阻是不同的。

RT9072 所用封裝從其內(nèi)部的發(fā)熱點到周圍環(huán)境之間的總熱阻為 218.1℃/W，這表示 RT9072 要向周圍環(huán)境傳遞 1W 的功耗時，從發(fā)熱點到周圍環(huán)境之間的溫度差會達到 218.1℃，假如環(huán)境溫度是 25℃，而 RT9072 要以 1W 的功耗向外傳遞熱量，它的內(nèi)部結(jié)溫就會高達 218.1℃ + 25℃= 243.1℃，這已經(jīng)遠遠超過了 RT9072 的溫度承受能力。

實際上，RT9072 能夠耐受的最高結(jié)溫為150℃，當超過這一溫度時就會發(fā)生過熱保護，而為了確保安全，它的 0.45W 的最大功率耗散能力是假設在 25℃ 的環(huán)境溫度下容許的最高結(jié)溫為 125℃ 的條件計算出來的，不是實際測量的結(jié)果，而且隨著環(huán)境溫度的變化，這一指標還要有相應的折扣，其限制如下圖所示：

所有的這些數(shù)據(jù)及其限制都是在符合 JEDEC51-7 標準的 4 層 PCB 板上進行測量獲得的，我們在實際的應用中可以通過加大 PCB 銅箔面積、增加導熱孔、使用導熱材料、增加空氣流動性等方法來進行改善。

再回到我們開始時提到的負載參數(shù)，如果20mA 的負載只是偶爾出現(xiàn)，例如在每 1 秒鐘的時間里只有 10ms 出現(xiàn)，其他的 990ms 都是處于靜默狀態(tài)，例如就只有 100μA，那么這時候的平均功耗就變成

這個結(jié)果就遠小于 0.45W 了，RT9072 完全可以承受，你完全不用擔心它會有過熱的問題發(fā)生。

對于線性穩(wěn)壓器的應用來說，你必須隨時把功耗問題當作一個重點來考慮，每一次選型都要進行功耗計算，絕對不能讓它有發(fā)生過熱保護的情況，這樣才能確保系統(tǒng)能夠正常運作。

當僅僅用線性穩(wěn)壓器不能滿足應用需求時該怎么辦呢？

一種做法是用開關穩(wěn)壓器來代替線性穩(wěn)壓器，例如下述電路就可以滿足 60V 轉(zhuǎn) 3.3V20mA 的需求，甚至更大的電流也可以：

其中所用的 RT6210 是最高輸入電壓可達 80V 的 Buck 轉(zhuǎn)換器，負載能力可達 500mA，它的規(guī)格書列出了它在多種輸出條件下的元件選擇指引：

使用 Buck 電路會比線性穩(wěn)壓器復雜許多，但這是必要的付出，我們只能根據(jù)實際的情況來做出選擇。

使用開關模式工作的穩(wěn)壓器會帶來紋波較大的問題，有的應用可能不能接受，這時需要將方案作進一步的改進，Buck 加線性穩(wěn)壓器的做法可能就是一種比較好的選擇，只是這時候就可能不需要選擇像 RT9072 這樣能夠耐受那么高電壓的器件了，很多低耐壓的器件可以滿足你的需求，同等負載能力下的低壓器件的成本通常也會低一些，我們可以做出最具成本效益的方案來。

有的場合完全不能接受開關穩(wěn)壓器帶來的開關噪聲，這時候可能就需要我們在線性穩(wěn)壓的道路上繼續(xù)走下去，具有更高功率耗散能力的方案就要被拿出來使用，我們展示過的 RT9072 擴流方案就可以是一種選擇。

各種不同的應用方案都是因為要解決現(xiàn)實中的問題而產(chǎn)生的，本文的寫作也是因為有讀者的留言才得以入手，文中提及的所有參數(shù)都來自于讀者，因此我要對此表達感謝，沒有你們的支持，我可能連想法都不會產(chǎn)生，所以我想說“有你真好”，讓我們一起走得更好！

編輯：jq