淺談低壓差線性穩壓器LDO的設計選型

基礎理論

普通線性穩壓器由于其內部調整管與負載相串聯且調整管工作在線性工作區而得名。選擇線性穩壓器首先根據應用要求，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。但是為了保證穩壓效果，輸入輸出壓差一般到4~6V以上才能正常穩壓工作。穩壓器的功耗PD＝（VI－VO）×IO。所以電源的轉換效率很低，一般為45%左右。穩壓器的耗散功率PD幾乎完全以熱量的形式耗散。

LDO作為線性穩壓器的一個子集，工作原理與普通線性穩壓器類似，但是其內部調整

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。從而提高了轉換效率。在以下的應用情況下LDO有其自身的優勢：

● 要求電源轉換效率高。

● 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穩壓器有相對寬的穩壓范圍。

一般設計方法

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：線性穩壓器件的IQ（靜態電流）由于比IO小很多數量級常常被忽略。因此，我們假設II＝IO。

因此，可以利用PD（max）與相應的線性穩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）并交叉參考環境溫度，覆銅面積和氣流條件選擇相應的封裝。如果器件中只提供了相應封裝的θja ，利用下式計算θja ：

θja（max）＝（Tj－Ta）/ PD（max） （3）

θja：熱阻, 結溫到環境溫度（℃/W）

Tj：結溫。

Ta：環境溫度。

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）與應用中相應的覆銅面積和氣流綜合考慮。

當最初的線性穩壓器件的熱量散耗不足時，最先考慮的是替換不同的封裝。一般可以采用比應用所需電流更大輸出能力的線性穩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（結到環境）。（℃/W）

θjc：熱阻（結到封裝表面）。（℃/W）

θcs：熱阻（結到散熱片）。（℃/W）

θsa：熱阻（散熱片到環境）。（℃/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線性穩壓器件的封裝。

輸入電壓，壓差電壓（VD O）

線性穩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壓器后的壓降。對于固定的負載電流，線性穩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穩壓器技術指標中定義的能夠穩壓工作時VI和VO之間最小的差值又稱為VD O。

區分標準的線性穩壓器與LDO可以看VD O的大小。一般認為VD O＜1V的為LDO，VDO＞1V的為標準的線性穩壓器。

5 設計實例

實例1：

給定TMS320C6201 DSP ，有下列的系統需要：

內核電壓Vcore ：1.8V±3%（功率Pcore ＝ 1.0W時）

I/O電壓V_IO ：3.3V±5%（功率Pio ＝ 0.2W時）

LDO輸入電壓Vi ：5.0V±5%

環境溫度 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的數據資料中Tj（max）＝125 ℃

θja ≦（125－50）/ 2.134 ＝ 35.1（℃）

這樣更據DSP《電源管理選擇指南》的電源選擇表或自己查詢相關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封裝對應的熱阻θja＝172℃/W,TSSOP封裝對應的熱阻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

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）

更據以上條件計算相應的熱阻θja：

θja≦（Tj（max）－Ta）/Pd（max）

由TPS76833的數據資料可知，Tj（max）＝125℃。所以：

θja≦（125－50）/1.915＝39.1（℃/W）

所以，應該選擇20腳TSSOP封裝的TPS76833器件。

6 結束語

LDO是具有低壓差和較寬輸入電壓范圍的穩壓器。適用于便攜式設備的供電要求。如果，已選定的器件熱阻不能滿足，應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。在初次設計選擇器件時要根據應用條件，計算出最大熱阻。然后選擇相應的器件，這樣可以保證設計的成功應用。