淺談低壓差線性穩(wěn)壓器LDO的設(shè)計(jì)選型

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(fù)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(shí)還有一個(gè)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(gè)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(shì)：

● 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?yàn)長(zhǎng)DO穩(wěn)壓器有相對(duì)寬的穩(wěn)壓范圍。

一般設(shè)計(jì)方法

利用已有的VI，VO和IO（max），可以計(jì)算PD（max）：

PD（max） ＝PI－PO （1）

＝（VI－VO）×IO （2）

PI ：進(jìn)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(jí)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(jìn)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(jì)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(jì)算的θja （max），則對(duì)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(shí)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(dāng)最初的線性穩(wěn)壓器件的熱量散耗不足時(shí)，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(dāng)考慮散熱片時(shí)，利用（3）式計(jì)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(duì)于固定的負(fù)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(biāo)中定義的能夠穩(wěn)壓工作時(shí)VI和VO之間最小的差值又稱為VD O。

區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)的線性穩(wěn)壓器與LDO可以看VD O的大小。一般認(rèn)為VD O＜1V的為L(zhǎng)DO，VDO＞1V的為標(biāo)準(zhǔn)的線性穩(wěn)壓器。

5 設(shè)計(jì)實(shí)例

實(shí)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(shí)）

I/O電壓V_IO ：3.3V±5%（功率Pio ＝ 0.2W時(shí)）

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：

P_D（core）max＝（V_I －Vcore）×Icore

＝（1.05×Vi－0.97×Vcore）×（Pcore /（0.97×Vcore））

＝（5.25－1.75）×（1.0 / 1.75）

＝ 2.0（W）

P_D（I/O）max ＝ （V_I － V_O（I/O））×I(I/O)

＝ （1.05×V_I－0.95×V_IO）×（P_IO /（0.95×V_IO））

＝ （5.25－3.14）×（0.2/3.14）

＝ 0.134（W）

P_D（max）＝P_D（core）max＋P_D（I/O）max

＝2.0＋0.134＝2.134（W）

下面確定某封裝的最大熱阻：

P_D（max）＝（Tj（max）－Ta）/θja

θja ≦（Tj（max）－Ta）/P_D（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(hào)。

實(shí)例2：

TPS76833有8腳SO封裝和20腳TSSOP封裝兩種。SO封裝對(duì)應(yīng)的熱阻θja＝172℃/W,TSSOP封裝對(duì)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(fēng)。

首先，確定最大耗散功率

P_D（max）＝（V_I－V_O）×Io

＝ （（1.05×V_I）－（0.98×V_O））×I_O

＝（5.25－3.234）×0.95

＝1.915（W）

更據(jù)以上條件計(jì)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(yǔ)

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(shí)可以考慮更改封裝類型。在初次設(shè)計(jì)選擇器件時(shí)要根據(jù)應(yīng)用條件，計(jì)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(jì)的成功應(yīng)用。