如果您要设计的电路板由除台式稳压电源以外的任何电源供电,您需要选择一个电源调节器以放置在您的电路板上。就像任何其他组件一样,您的稳压器已经说明了您将在产品摘要中看到的操作规格,并且您可以在数据表中找到更详细的规格。数据表中的细节很容易被忽视,但它们是决定组件将如何与系统其余部分交互的主要因素。
LDO 等电源稳压器在您的设计中易于放置和使用。它们实际上是即插即用的,最简单的固定输出 LDO 需要 3 个端子和几个外部电阻器才能正确使用。不能保证 LDO 效率处于特定值,但该值与您的电路板在操作期间可以访问的电流限制有关。在将高压输入连接到 LDO 之前,请务必阅读这些指南以确保您可以提供足够的电源。
什么决定了 LDO 的效率?
LDO 很简单,工作原理相同:组件将输入电压降低到所需的输出,多余的电能以热量的形式消散。LDO 可通过分压器进行外部调节,您需要一些输入/输出电容来进行额外的滤波。每个 LDO 都有一个简单的公式来确定效率:
LDO 效率方程。
当输入接近输出电压时,效率接近100%。请注意,此公式仅适用于电压差(输出 - 输入)高于压差电平(通常在低电流时小于 1 V,在高电流时高达 1.5 V)的情况。只要您处于这种状态,LDO 就会正确调节输入以产生低噪声、低纹波的输出。最简单的 LDO 会输出一个固定值,或者可以根据需要使用外部电阻调整输出。由于输出电压固定在某个值,增加输入电压不会继续增加输出,因此效率降低。
那么以上几点有什么问题呢?效率突然下降的地方在哪里?要看到这一点,我们必须查看输出电压和电流。在高输入电压差下,效率和功率输出会下降。
输出电压和电流
您应该在 LDO 数据表中查看一个重要的规范:短路电流。这实际上是设备可以提供的最大电流,并且该值将随输入电压差而变化。请记住,输出电压和电流是固定的,如果输入电压增加,则不会增加,因此最佳实践要求输入应略高于输出电压值。这就是为什么您通常会看到 LDO 用于小降压,例如 5 V 至 3.3 V 以满足已知电流要求。
在考虑短路电流和电压差时,还有一点很重要。当 LDO 由非常高的电压差驱动时,短路电流也会降低。这相当重要,因为一些 LDO,例如具有 3.3 V 输出的 LDO,将具有高达 30 V 的输入电压容限。在高输入电压差时,短路电流将下降并受到限制,这将限制总功率输出。
下面的示例显示了Linear LT1086CM的短路电流与输入差分曲线。
LT1086CM 短路电流。
该组件具有一系列可能的输出,对输入电压有很高的限制。如果您在高输入(高于 20 V 电压差)下运行,该组件将不会提供超过 100 mA 的电流。在为您的电路板选择法规策略以及确定潜在的温升时,需要考虑这一点。
热量和温升
由于损失的功率以热量的形式耗散,因此在您的设计中也应考虑这一点。LDO 中的损耗功率等于:
LDO 散热率(W)。
同样,当输入和输出电压接近时,功率损耗最小,但以几安培的输出电流以高差分运行会导致过热和故障。
举个例子,LDO 的典型结到环境热阻值约为 25 摄氏度/瓦。LDO 可能会烧坏并出现故障。让我们看一下上面的例子,LT1086 以 25V 的电压差驱动,负载需要 1.5A。由于高输入时的电流限制,在这种情况下以大约 2.5W 的速率产生热量,相当于外壳温升约62.5摄氏度。如果您在低输入范围的高端附近工作,在 1.5 A 时的电压差仅为 8 V,则将耗散约 12 W,从而使温度升高约 300 摄氏度。后一种情况将导致组件失败。
结论:如果使用得当,LDO 会很棒
如果您使用的是 LDO,请确保保持在正确的操作范围内,以确保设备按您的预期工作。如果您不介意产生大量热量并在低电流下工作,那么您可以随意在高输入电压和大电压差下运行 LDO。准备好接受这种安排中非常低的效率。相反,如果您在预期输入范围内操作设备(您可以从数据表中的几张图表中看出这一点),您将获得尽可能高的效率、低压差和高可用电流。
一种好的安排是将开关稳压器作为主稳压器,并将输出连接到 LDO。开关稳压器很好,因为它们使用电抗电路而不是电阻元件来调制输出功率,但这会在输出端产生开关噪声。但是,使用 LDO 可提供高达 ~100 kHz 频率的额外调节。
带有降压转换器和 LDO 的功率调节链。
另一种选择是将您的线路电压直接转换为略高于压差电压的值。不幸的是,对于真正的组件,您不能仅仅转换为您想要的任何值,您必须使用具有特定匝数比的现成组件。降低 LDO 所需的特定输入电压可能需要定制变压器,因此在尝试调节线路电压以用于 LDO 之前,请记住这一点。
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