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測試 LDO 效率的極限
測試 LDO 效率的極限
如果您要設計的電路板由除臺式穩壓電源以外的任何電源供電，您需要選擇一個電源調節器以放置在您的電路板上。就像任何其他組件一樣，您的穩壓器已經說明了您將在產品摘要中看到的操作規格，并且您可以在數據表中找到更詳細的規格。數據表中的細節很容易被忽視，但它們是決定組件將如何與系統其余部分交互的主要因素。
LDO 等電源穩壓器在您的設計中易于放置和使用。它們實際上是即插即用的，最簡單的固定輸出 LDO 需要 3 個端子和幾個外部電阻器才能正確使用。不能保證 LDO 效率處于特定值，但該值與您的電路板在操作期間可以訪問的電流限制有關。在將高壓輸入連接到 LDO 之前，請務必閱讀這些指南以確保您可以提供足夠的電源。
什么決定了 LDO 的效率？
LDO 很簡單，工作原理相同：組件將輸入電壓降低到所需的輸出，多余的電能以熱量的形式消散。LDO 可通過分壓器進行外部調節，您需要一些輸入/輸出電容來進行額外的濾波。每個 LDO 都有一個簡單的公式來確定效率：
LDO 效率方程。
當輸入接近輸出電壓時，效率接近100%。請注意，此公式僅適用于電壓差（輸出 - 輸入）高于壓差電平（通常在低電流時小于 1 V，在高電流時高達 1.5 V）的情況。只要您處于這種狀態，LDO 就會正確調節輸入以產生低噪聲、低紋波的輸出。最簡單的 LDO 會輸出一個固定值，或者可以根據需要使用外部電阻調整輸出。由于輸出電壓固定在某個值，增加輸入電壓不會繼續增加輸出，因此效率降低。
那么以上幾點有什么問題呢？效率突然下降的地方在哪里？要看到這一點，我們必須查看輸出電壓和電流。在高輸入電壓差下，效率和功率輸出會下降。
輸出電壓和電流
您應該在 LDO 數據表中查看一個重要的規范：短路電流。這實際上是設備可以提供的最大電流，并且該值將隨輸入電壓差而變化。請記住，輸出電壓和電流是固定的，如果輸入電壓增加，則不會增加，因此最佳實踐要求輸入應略高于輸出電壓值。這就是為什么您通常會看到 LDO 用于小降壓，例如 5 V 至 3.3 V 以滿足已知電流要求。
在考慮短路電流和電壓差時，還有一點很重要。當 LDO 由非常高的電壓差驅動時，短路電流也會降低。這相當重要，因為一些 LDO，例如具有 3.3 V 輸出的 LDO，將具有高達 30 V 的輸入電壓容限。在高輸入電壓差時，短路電流將下降并受到限制，這將限制總功率輸出。
下面的示例顯示了Linear LT1086CM的短路電流與輸入差分曲線。
LT1086CM 短路電流。
該組件具有一系列可能的輸出，對輸入電壓有很高的限制。如果您在高輸入（高于 20 V 電壓差）下運行，該組件將不會提供超過 100 mA 的電流。在為您的電路板選擇法規策略以及確定潛在的溫升時，需要考慮這一點。
熱量和溫升
由于損失的功率以熱量的形式耗散，因此在您的設計中也應考慮這一點。LDO 中的損耗功率等于：
LDO 散熱率（W）。
同樣，當輸入和輸出電壓接近時，功率損耗最小，但以幾安培的輸出電流以高差分運行會導致過熱和故障。
舉個例子，LDO 的典型結到環境熱阻值約為 25 攝氏度/瓦。LDO 可能會燒壞并出現故障。讓我們看一下上面的例子，LT1086 以 25V 的電壓差驅動，負載需要 1.5A。由于高輸入時的電流限制，在這種情況下以大約 2.5W 的速率產生熱量，相當于外殼溫升約62.5攝氏度。如果您在低輸入范圍的高端附近工作，在 1.5 A 時的電壓差僅為 8 V，則將耗散約 12 W，從而使溫度升高約 300 攝氏度。后一種情況將導致組件失敗。
結論：如果使用得當，LDO 會很棒
如果您使用的是 LDO，請確保保持在正確的操作范圍內，以確保設備按您的預期工作。如果您不介意產生大量熱量并在低電流下工作，那么您可以隨意在高輸入電壓和大電壓差下運行 LDO。準備好接受這種安排中非常低的效率。相反，如果您在預期輸入范圍內操作設備（您可以從數據表中的幾張圖表中看出這一點），您將獲得盡可能高的效率、低壓差和高可用電流。
一種好的安排是將開關穩壓器作為主穩壓器，并將輸出連接到 LDO。開關穩壓器很好，因為它們使用電抗電路而不是電阻元件來調制輸出功率，但這會在輸出端產生開關噪聲。但是，使用 LDO 可提供高達 ~100 kHz 頻率的額外調節。
帶有降壓轉換器和 LDO 的功率調節鏈。
另一種選擇是將您的線路電壓直接轉換為略高于壓差電壓的值。不幸的是，對于真正的組件，您不能僅僅轉換為您想要的任何值，您必須使用具有特定匝數比的現成組件。降低 LDO 所需的特定輸入電壓可能需要定制變壓器，因此在嘗試調節線路電壓以用于 LDO 之前，請記住這一點。