測(cè)試LDO效率的極限

如果您要設(shè)計(jì)的電路板由除臺(tái)式穩(wěn)壓電源以外的任何電源供電，您需要選擇一個(gè)電源調(diào)節(jié)器以放置在您的電路板上。就像任何其他組件一樣，您的穩(wěn)壓器已經(jīng)說明了您將在產(chǎn)品摘要中看到的操作規(guī)格，并且您可以在數(shù)據(jù)表中找到更詳細(xì)的規(guī)格。數(shù)據(jù)表中的細(xì)節(jié)很容易被忽視，但它們是決定組件將如何與系統(tǒng)其余部分交互的主要因素。

LDO 等電源穩(wěn)壓器在您的設(shè)計(jì)中易于放置和使用。它們實(shí)際上是即插即用的，最簡單的固定輸出 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問的電流限制有關(guān)。在將高壓輸入連接到 LDO 之前，請(qǐng)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 可通過分壓器進(jìn)行外部調(diào)節(jié)，您需要一些輸入/輸出電容來進(jìn)行額外的濾波。每個(gè) LDO 都有一個(gè)簡單的公式來確定效率：

LDO 效率方程。

當(dāng)輸入接近輸出電壓時(shí)，效率接近100%。請(qǐng)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(dá) 1.5 V）的情況。只要您處于這種狀態(tài)，LDO 就會(huì)正確調(diào)節(jié)輸入以產(chǎn)生低噪聲、低紋波的輸出。最簡單的 LDO 會(huì)輸出一個(gè)固定值，或者可以根據(jù)需要使用外部電阻調(diào)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(xù)增加輸出，因此效率降低。

那么以上幾點(diǎn)有什么問題呢？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(yīng)該在 LDO 數(shù)據(jù)表中查看一個(gè)重要的規(guī)范：短路電流。這實(shí)際上是設(shè)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(qǐng)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(yīng)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(dāng) LDO 由非常高的電壓差驅(qū)動(dòng)時(shí)，短路電流也會(huì)降低。這相當(dāng)重要，因?yàn)橐恍?LDO，例如具有 3.3 V 輸出的 LDO，將具有高達(dá) 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。

LT1086CM 短路電流。

該組件具有一系列可能的輸出，對(duì)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(yùn)行，該組件將不會(huì)提供超過 100 mA 的電流。在為您的電路板選擇法規(guī)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(shè)計(jì)中也應(yīng)考慮這一點(diǎn)。LDO 中的損耗功率等于：

LDO 散熱率（W）。

同樣，當(dāng)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(yùn)行會(huì)導(dǎo)致過熱和故障。

舉個(gè)例子，LDO 的典型結(jié)到環(huán)境熱阻值約為 25 攝氏度/瓦。LDO 可能會(huì)燒壞并出現(xiàn)故障。讓我們看一下上面的例子，LT1086 以 25V 的電壓差驅(qū)動(dòng)，負(fù)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(dāng)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(dǎo)致組件失敗。

結(jié)論：如果使用得當(dāng)，LDO 會(huì)很棒

如果您使用的是 LDO，請(qǐng)確保保持在正確的操作范圍內(nèi)，以確保設(shè)備按您的預(yù)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(yùn)行 LDO。準(zhǔn)備好接受這種安排中非常低的效率。相反，如果您在預(yù)期輸入范圍內(nèi)操作設(shè)備（您可以從數(shù)據(jù)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關(guān)穩(wěn)壓器作為主穩(wěn)壓器，并將輸出連接到 LDO。開關(guān)穩(wěn)壓器很好，因?yàn)樗鼈兪褂秒娍闺娐范皇请娮柙碚{(diào)制輸出功率，但這會(huì)在輸出端產(chǎn)生開關(guān)噪聲。但是，使用 LDO 可提供高達(dá) ~100 kHz 頻率的額外調(diào)節(jié)。

帶有降壓轉(zhuǎn)換器和 LDO 的功率調(diào)節(jié)鏈。

另一種選擇是將您的線路電壓直接轉(zhuǎn)換為略高于壓差電壓的值。不幸的是，對(duì)于真正的組件，您不能僅僅轉(zhuǎn)換為您想要的任何值，您必須使用具有特定匝數(shù)比的現(xiàn)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(diào)節(jié)線路電壓以用于 LDO 之前，請(qǐng)記住這一點(diǎn)。