LDO線性穩(wěn)壓器在效率方面可與開關穩(wěn)壓器相媲美

Tom Gross

開關電源的受歡迎程度很大程度上歸功于其效率，即使這種區(qū)別不一定是當之無愧的。例如，當?shù)蛪狠斎?a target="_blank">電源可用且電流約為一安培左右時，不太復雜的低壓差線性穩(wěn)壓器可以與開關穩(wěn)壓器的效率相匹配。此外，如果設計僅限于所有表面貼裝應用，并且由電路板提供散熱器，則線性穩(wěn)壓器可以在相當寬的輸入電壓范圍內提供類似開關穩(wěn)壓器的效率。

例如，線性穩(wěn)壓器在1.8V至1.2V應用中提供出色的效率。即使在2A輸出電流下，也只有1.2W的功率耗散。這足以使多層板提供足夠的散熱。

熱限制

雖然效率總是被引用為開關穩(wěn)壓器的基準，但功率損耗通常更為重要。功率損耗決定了散熱器的尺寸，散熱器的尺寸比任何其他組件都與電路板的尺寸直接相關。

線性穩(wěn)壓器是關于簡單性的，因此它們的優(yōu)勢在不需要超過多層電路板來提供散熱的設計中最為明顯。首先，多層板可以在每瓦40°C時耗散功率。如果要將穩(wěn)壓器的最高溫度限制在125°C，1W的功耗允許環(huán)境溫度為85°C。 85°C的環(huán)境溫度是一個保守的設計數(shù)字，可以滿足大多數(shù)工業(yè)應用的要求。

線性穩(wěn)壓器可以提供的輸出電流量取決于輸入至輸出差分電壓和功率損耗限制。例如，在 2.5V 至 1.5V 設計中，1V 差分電壓允許 1A 負載電流滿足 1W 耗散要求（見圖 1）。如果差分電壓僅為0.7V（如2.5V至1.8V穩(wěn)壓器），則最大負載電流將增加到1.4A以上。

圖1.各種功耗限值表示為負載電流和輸入至輸出差分電壓的函數(shù)。

圖1顯示，在這些情況下可以填充多種功率組合。在表面貼裝設計中，功率損耗與電路板面積直接相關，因為功率通常通過金屬層耗散?？紤]到這一點，圖1涵蓋了一系列線性穩(wěn)壓器應用，這些應用與開關穩(wěn)壓器相比效果很好，開關穩(wěn)壓器在高輸入至輸出差分電壓下效率非常高，但在低輸入至輸出差分電壓下的效率很少超過75%–80%。

例如，考慮一款低壓差穩(wěn)壓器，在 1 安培電流下調節(jié) 8.1V 至 2.0V。當輸入至輸出差分為 6.1V 時，可用輸出電流在 5 W 功耗下增加到 1.<>A 以上（見圖 <>）。

將最大功耗增加到 2W，允許輸出電流超過 3A。在這些條件下工作的開關穩(wěn)壓器的效率通常為75%。開關穩(wěn)壓器的復雜性和成本增加，使線性穩(wěn)壓器看起來更好。

同一應用中開關穩(wěn)壓器和線性穩(wěn)壓器的比較

比較 1.8 至 1.5 V 應用中的兩種不同拓撲。在這種設計中，功耗足夠低，即使是三安培的輸出電流也不會超過我們的1W功率限制。圖2a示出了采用LTC1 CMOS線性穩(wěn)壓器的5.3026A應用。類似的降壓型開關穩(wěn)壓器電路如圖2b所示。圖3比較了兩種電路的效率和功率損耗。如圖所示，開關轉換器在低負載電流下效率更高，但隨著負載電流的增加，線性穩(wěn)壓器效率與開關穩(wěn)壓器效率相匹配，然后超過開關穩(wěn)壓器效率。功率損耗也是如此。線性穩(wěn)壓器隨著負載電流的增加而表現(xiàn)更好。

（一）。

（二）。

圖2.兩個 1.5V 輸出 DC/DC 轉換器。第一個 （a） 是一個典型的線性穩(wěn)壓器，它采用 LTC3026 和一個外部偏置電源。第二個（b）是典型的1.5V開關穩(wěn)壓器應用。在電路（a）中，如果沒有外部偏置電源，LTC3026可通過一個內部升壓轉換器和一個外部電感器（10 μH，150mA）產生自己的偏置。

圖3.LTC3026 線性穩(wěn)壓器的效率和功率損耗優(yōu)于開關穩(wěn)壓器的效率和功率損耗。LDO在1.5A時保持良好的效率。

隨著輸入至輸出差分電壓的降低，例如在電池供電應用中，線性穩(wěn)壓器的效率甚至比開關穩(wěn)壓器更有利（見圖4）。例如，在 500mA 負載電流下，LTC3026 的壓差電壓僅為 60mV，線性穩(wěn)壓器的效率超過 97%，而開關穩(wěn)壓器的效率約為 85%。在這種情況下，線性穩(wěn)壓器在效率、功率損耗、尺寸、簡單性和成本等各個方面都優(yōu)于開關穩(wěn)壓器。

圖4.在最低輸入至輸出差分電壓 VIN = VOUT + VDROPOUT and VOUT = 1.5V，線性穩(wěn)壓器的效率和功率損耗甚至優(yōu)于開關穩(wěn)壓器。

結論

在低輸入和輸出電壓下，線性穩(wěn)壓器可提供出色的穩(wěn)壓性能，并且在許多情況下，可提供可與開關穩(wěn)壓器相媲美的效率。在所有情況下，線性穩(wěn)壓器電路都更簡單，成本更低。在電路板可以充分耗散功率的應用中，線性穩(wěn)壓器可以處理合理范圍的輸入和輸出電壓。

審核編輯：郭婷