淺談低壓差線性穩(wěn)壓器LDO的設(shè)計選型
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基礎(chǔ)理論
普通線性穩(wěn)壓器由于其內(nèi)部調(diào)整管與負載相串聯(lián)且調(diào)整管工作在線性工作區(qū)而得名。選擇線性穩(wěn)壓器首先根據(jù)應(yīng)用要求，要考慮的是輸入電壓（VI），輸出電壓（VO）和輸出電流（IO）。選擇線性穩(wěn)壓器時還有一個重要的，但常常被忽略的問題是熱量問題。但是為了保證穩(wěn)壓效果，輸入輸出壓差一般到4~6V以上才能正常穩(wěn)壓工作。穩(wěn)壓器的功耗PD＝（VI－VO）×IO。所以電源的轉(zhuǎn)換效率很低，一般為45%左右。穩(wěn)壓器的耗散功率PD幾乎完全以熱量的形式耗散。
LDO作為線性穩(wěn)壓器的一個子集，工作原理與普通線性穩(wěn)壓器類似，但是其內(nèi)部調(diào)整
管選擇低壓降的PNP晶體管從而把輸入輸出壓差減低到1V以下。從而提高了轉(zhuǎn)換效率。在以下的應(yīng)用情況下LDO有其自身的優(yōu)勢：
● 要求電源轉(zhuǎn)換效率高。
● VI可以很接近VO，因此可以減少LDO的耗散功率和提高效率。
● 電池可以作為VI源，因為LDO穩(wěn)壓器有相對寬的穩(wěn)壓范圍。
一般設(shè)計方法
利用已有的VI，VO和IO（max），可以計算PD（max）：
PD（max） ＝PI－PO （1）
＝（VI－VO）×IO （2）
PI ：進入LDO的功率。
PO ：LDO輸出的功率。
PD（max）：線性穩(wěn)壓器件可以消耗的最大功率。
VI ：LDO的輸入電壓。
VO ：LDO的輸出電壓。
IO ：LDO的輸出電流。
注意：線性穩(wěn)壓器件的IQ（靜態(tài)電流）由于比IO小很多數(shù)量級常常被忽略。因此，我們假設(shè)II＝IO。
因此，可以利用PD（max）與相應(yīng)的線性穩(wěn)壓器件的器件資料進行比較。如果器件資料中有功率耗散（power dissipation）表，使用PD（max）并交叉參考環(huán)境溫度，覆銅面積和氣流條件選擇相應(yīng)的封裝。如果器件中只提供了相應(yīng)封裝的θja ，利用下式計算θja ：
θja（max）＝（Tj－Ta）/ PD（max） （3）
θja：熱阻, 結(jié)溫到環(huán)境溫度（℃/W）
Tj：結(jié)溫。
Ta：環(huán)境溫度。
如果PD（max）小于功率耗散表中的功率或器件資料中的θja小于上式計算的θja （max），則對應(yīng)封裝的散熱是可以接收的。否則，該封裝不能采納。而且，在閱讀器件資料時要將θja 或PD（max）與應(yīng)用中相應(yīng)的覆銅面積和氣流綜合考慮。
當最初的線性穩(wěn)壓器件的熱量散耗不足時，最先考慮的是替換不同的封裝。一般可以采用比應(yīng)用所需電流更大輸出能力的線性穩(wěn)壓器件以滿足合適的熱量條件。
如果，沒有其它的封裝能夠滿足應(yīng)用。下面就要考慮加散熱片或替換電源的解決方案。當考慮散熱片時，利用（3）式計算的θja 代入（4）式：
θsa ≤ θja（max）－θjc －θcs
θja：熱阻（結(jié)到環(huán)境）。（℃/W）
θjc：熱阻（結(jié)到封裝表面）。（℃/W）
θcs：熱阻（結(jié)到散熱片）。（℃/W）
θsa：熱阻（散熱片到環(huán)境）。（℃/W）
注意：θcs 是封裝表面與散熱片的熱量接口，無論是空氣，PCB/覆銅或其它類型的散熱片。
選擇具有合適的θsa 的散熱片還要考慮散熱片的形狀以適應(yīng)線性穩(wěn)壓器件的封裝。
輸入電壓，壓差電壓（VD O）
線性穩(wěn)壓器件的壓差電壓常常被誤解。正如上面討論的，VI和VO之間的電壓差是通過線性穩(wěn)壓器后的壓降。對于固定的負載電流，線性穩(wěn)壓器的輸入與輸出的電壓降越小功率散耗就越低。壓差電壓是LDO穩(wěn)壓器技術(shù)指標中定義的能夠穩(wěn)壓工作時VI和VO之間最小的差值又稱為VD O。
區(qū)分標準的線性穩(wěn)壓器與LDO可以看VD O的大小。一般認為VD O＜1V的為LDO，VDO＞1V的為標準的線性穩(wěn)壓器。
5 設(shè)計實例
實例1：
給定TMS320C6201 DSP ，有下列的系統(tǒng)需要：
內(nèi)核電壓Vcore ：1.8V±3%（功率Pcore ＝ 1.0W時）
I/O電壓VIO ：3.3V±5%（功率Pio ＝ 0.2W時）
LDO輸入電壓Vi ：5.0V±5%
環(huán)境溫度 Ta ：50℃
找出滿足以上條件的雙輸出LDO為DSP供電。
我們首先要確定雙輸出LDO的最大總耗散功率：
PD（core）max＝（VI －Vcore）×Icore
＝（1.05×Vi－0.97×Vcore）×（Pcore /（0.97×Vcore））
＝（5.25－1.75）×（1.0 / 1.75）
＝ 2.0（W）
PD（I/O）max ＝ （VI － VO（I/O））×I(I/O)
＝ （1.05×VI－0.95×VIO）×（PIO /（0.95×VIO））
＝ （5.25－3.14）×（0.2/3.14）
＝ 0.134（W）
PD（max）＝PD（core）max＋PD（I/O）max
＝2.0＋0.134＝2.134（W）
下面確定某封裝的最大熱阻：
PD（max）＝（Tj（max）－Ta）/θja
θja ≦（Tj（max）－Ta）/PD（max）
大部分的LDO的數(shù)據(jù)資料中Tj（max）＝125 ℃
θja ≦（125－50）/ 2.134 ＝ 35.1（℃）
這樣更據(jù)DSP《電源管理選擇指南》的電源選擇表或自己查詢相關(guān)LDO的資料，可以確定合適的LDO型號。
實例2：
TPS76833有8腳SO封裝和20腳TSSOP封裝兩種。SO封裝對應(yīng)的熱阻θja＝172℃/W,TSSOP封裝對應(yīng)的熱阻θja＝32.6℃/W。試確定下列哪種封裝滿足下列工作條件：
Vi＝5.0V＋5%
Vo＝3.3V±2%
Io：0.95A
Ta＝50℃，自然通風。
首先，確定最大耗散功率
PD（max）＝（VI－VO）×Io
＝ （（1.05×VI）－（0.98×VO））×IO
＝（5.25－3.234）×0.95
＝1.915（W）
更據(jù)以上條件計算相應(yīng)的熱阻θja：
θja≦（Tj（max）－Ta）/Pd（max）
由TPS76833的數(shù)據(jù)資料可知，Tj（max）＝125℃。所以：
θja≦（125－50）/1.915＝39.1（℃/W）
所以，應(yīng)該選擇20腳TSSOP封裝的TPS76833器件。
6 結(jié)束語
LDO是具有低壓差和較寬輸入電壓范圍的穩(wěn)壓器。適用于便攜式設(shè)備的供電要求。如果，已選定的器件熱阻不能滿足，應(yīng)用的熱阻條件可以考慮增加散熱片或覆銅面積的方法。必要時可以考慮更改封裝類型。在初次設(shè)計選擇器件時要根據(jù)應(yīng)用條件，計算出最大熱阻。然后選擇相應(yīng)的器件，這樣可以保證設(shè)計的成功應(yīng)用。
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