测试 LDO 效率的极限

2021-08-11

测试 LDO 效率的极限

如果您要设计的電(diàn)路板由除台式稳压電(diàn)源以外的任何電(diàn)源供電(diàn)，您需要选择一个電(diàn)源调节器以放置在您的電(diàn)路板上。就像任何其他(tā)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(kě)以在数据表中找到更详细的规格。数据表中的细节很(hěn)容易被忽视，但它们是决定组件将如何与系统其余部分(fēn)交互的主要因素。

LDO 等電(diàn)源稳压器在您的设计中易于放置和使用(yòng)。它们实际上是即插即用(yòng)的，最简单的固定输出 LDO 需要 3 个端子和几个外部電(diàn)阻器才能(néng)正确使用(yòng)。不能(néng)保证 LDO 效率处于特定值，但该值与您的電(diàn)路板在操作期间可(kě)以访问的電(diàn)流限制有(yǒu)关。在将高压输入连接到 LDO 之前，请務(wù)必阅读这些指南以确保您可(kě)以提供足够的電(diàn)源。

什么决定了 LDO 的效率？

LDO 很(hěn)简单，工作原理(lǐ)相同：组件将输入電(diàn)压降低到所需的输出，多(duō)余的電(diàn)能(néng)以热量的形式消散。LDO 可(kě)通过分(fēn)压器进行外部调节，您需要一些输入/输出電(diàn)容来进行额外的滤波。每个 LDO 都有(yǒu)一个简单的公式来确定效率：

LDO 效率方程。

当输入接近输出電(diàn)压时，效率接近100%。请注意，此公式仅适用(yòng)于電(diàn)压差（输出 - 输入）高于压差電(diàn)平（通常在低電(diàn)流时小(xiǎo)于 1 V，在高電(diàn)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(kě)以根据需要使用(yòng)外部電(diàn)阻调整输出。由于输出電(diàn)压固定在某个值，增加输入電(diàn)压不会继续增加输出，因此效率降低。

那么以上几点有(yǒu)什么问题呢(ne)？效率突然下降的地方在哪里？要看到这一点，我们必须查看输出電(diàn)压和電(diàn)流。在高输入電(diàn)压差下，效率和功率输出会下降。

输出電(diàn)压和電(diàn)流

您应该在 LDO 数据表中查看一个重要的规范：短路電(diàn)流。这实际上是设备可(kě)以提供的最大電(diàn)流，并且该值将随输入電(diàn)压差而变化。请记住，输出電(diàn)压和電(diàn)流是固定的，如果输入電(diàn)压增加，则不会增加，因此最佳实践要求输入应略高于输出電(diàn)压值。这就是為(wèi)什么您通常会看到 LDO 用(yòng)于小(xiǎo)降压，例如 5 V 至 3.3 V 以满足已知電(diàn)流要求。

在考虑短路電(diàn)流和電(diàn)压差时，还有(yǒu)一点很(hěn)重要。当 LDO 由非常高的電(diàn)压差驱动时，短路電(diàn)流也会降低。这相当重要，因為(wèi)一些 LDO，例如具有(yǒu) 3.3 V 输出的 LDO，将具有(yǒu)高达 30 V 的输入電(diàn)压容限。在高输入電(diàn)压差时，短路電(diàn)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的短路電(diàn)流与输入差分(fēn)曲線(xiàn)。

LT1086CM 短路電(diàn)流。

该组件具有(yǒu)一系列可(kě)能(néng)的输出，对输入電(diàn)压有(yǒu)很(hěn)高的限制。如果您在高输入（高于 20 V 電(diàn)压差）下运行，该组件将不会提供超过 100 mA 的電(diàn)流。在為(wèi)您的電(diàn)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，当输入和输出電(diàn)压接近时，功率损耗最小(xiǎo)，但以几安培的输出電(diàn)流以高差分(fēn)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為(wèi) 25 摄氏度/瓦。LDO 可(kě)能(néng)会烧坏并出现故障。让我们看一下上面的例子，LT1086 以 25V 的電(diàn)压差驱动，负载需要 1.5A。由于高输入时的電(diàn)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 时的電(diàn)压差仅為(wèi) 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(yòng)得当，LDO 会很(hěn)棒

如果您使用(yòng)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電(diàn)流下工作，那么您可(kě)以随意在高输入電(diàn)压和大電(diàn)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(kě)以从数据表中的几张图表中看出这一点），您将获得尽可(kě)能(néng)高的效率、低压差和高可(kě)用(yòng)電(diàn)流。

一种好的安排是将开关稳压器作為(wèi)主稳压器，并将输出连接到 LDO。开关稳压器很(hěn)好，因為(wèi)它们使用(yòng)電(diàn)抗電(diàn)路而不是電(diàn)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(yòng) LDO 可(kě)提供高达 ~100 kHz 频率的额外调节。

带有(yǒu)降压转换器和 LDO 的功率调节链。

另一种选择是将您的線(xiàn)路電(diàn)压直接转换為(wèi)略高于压差電(diàn)压的值。不幸的是，对于真正的组件，您不能(néng)仅仅转换為(wèi)您想要的任何值，您必须使用(yòng)具有(yǒu)特定匝数比的现成组件。降低 LDO 所需的特定输入電(diàn)压可(kě)能(néng)需要定制变压器，因此在尝试调节線(xiàn)路電(diàn)压以用(yòng)于 LDO 之前，请记住这一点。