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线性稳压器的基础

现在说明线性稳压器的效率和热计算。如前述,这是使用线性稳压器所必须探讨的事项。

线性稳压器的效率

图 24

图 24

效率的定义为转换输出功率对所输入功率的比,通常以%显示。这在开关稳压器方面也一样。以下公式中,输入电流IIN所含的ICC是IC本身的消耗电流。但是,因其值小,所以负载电流大时可以忽视。此时,因可以使输入与输出的电流相同,所以只要纯粹以输入电压除输出电压便可以计算。
图24例中,5V转换成3.3V的效率为64%。近年来开关稳压器的效率在80%~90%以上,因此64%非常低了。

在这里,我们试着将图24例的输入电压5V变更为3.6V看看。5V可以看成是系统电压,而3.6V则是锂离子二次电池的电压。

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图 25:损耗功率

图 25:损耗功率

在这种条件下的效率居然有89%。也就是说,即使是线性稳压器,如果输入和输出的电压差小的话效率也是变高,可以获得相同于开关稳压器的高效率。首先,看图25便一目了然,如果VIN接近压差电压VDROPOUT的话,功率损耗会减少,效率会变高。

如果是这样的条件,则LDO的贡献度就变得非常高。这种条件下,由于输出输入差为0.3V,线性稳压器的选择为LDO,而且是压差电压为0.3V以下的LDO。标准型线性稳压器无法支持这种条件,如果硬要使用标准型的话,输入电压必须在6.3V以上(压差电压设为3V),而且无法处理最初的5V输入条件。此外,效率也会降为52%。反之,从12V制作5V时,不管是LDO或是标准型,效率或损耗都不会改变。

线性稳压器的效率依赖输出输入电压差。对于可以将输出电压差降到多小,虽然与压差电压有关系,不过与效率没有直接关系可以从公式中压差电压一项清楚得知。此点请勿混淆。

关键要点:

・效率是功率转换效率的意思,线性稳压器和开关稳压器。

・线性稳压器如果如果总结条件的话,也可获得与开关稳压器相同的效率。

・图25:如何将功率损耗降至最少,是提升线性稳压器效率的关键。

线性稳压器的热计算

热计算需要功率损耗、封装的热阻、以及周围温度等信息。功率损耗与效率计算的计算方法相同,纯粹为输出输入电压差和输入电流相乘的值。热阻应该有记载技术规格,没有时则有必要询问厂商。基本上使用芯片(接合面Junction)和周围(Ambient)间的热阻、θja。尽管有些IC可提供到外壳的热阻θjc,然而还是得求到θja为止的热阻。最后是周围温度,这个可以根据整机的额定值来推算,如以50℃来估算也可。如果要求条件较高时,须进行实测。

图 26

图 26

想法如下,可以根据功率损耗和热阻求IC芯片的发热后再加入周围温度后求芯片的温度,确认已计算的Tj(芯片温度)是否没有Tjmax(芯片温度的最大额定)。如果已超过Tjmax时须变更任一条件。前项已经说明,并非全部都能如规格般使用,依据输出输入电压、输出电流、周围温度而受到限制。

一般来说,超过额定而可以变更输入电压或输出电压的例子应该不多。或许可以减少负载电流(输出电流)来作为处理方式。此时,接受功率供给的装置须尽量选择消耗电流少的。其他可能的方法还有降低周围温度。例如,从自然对流空冷变更为风扇冷却、已有风扇的话就提升冷却能力、重新评估对流等。此外,虽然还有在线性稳压器安装散热片来降低热阻及减低发的方法,不过散热片的成本和尺寸想必是很大的探讨事项。而且,在提升电源效率减少发热的观点上可以考虑使用下一项所说明的开关稳压器。

关键要点:

・探讨不超过TjMAX(最大额定)的重要项目。

・调整需要在Ta和发热(功率损耗×热阻)间进行权衡。