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DC/DC

線性穩壓器的基礎

現在說明線性穩壓器之效率和熱計算。如前述,這是使用線性穩壓器所必須檢討的事項。

線性穩壓器的效率

圖24

圖24

效率的定義為變換輸出功率對所投入功率之比,通常以%顯示。此在開關穩壓器方面亦同。以下公式中,輸入電流IIN所含之ICC為IC本身之消耗電流。但,由於此為小値,故負載電流大時可以忽視。此時,由於可以使輸入與輸出之電流相同,故只要純粹以輸入電壓除輸出電壓便可以計算。
圖24例中,5V變換成3.3V的效率為64%。近來開關穩壓器的效率在80%~90%以上,因此64%可以說是極低。

我們試著在此將圖24例題之輸入電壓5V變更為3.6V看看。5V可以想成是系統電壓,而3.6V則是鋰二次電池的電壓。

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圖25: 損失功率

圖25: 損失功率

在此條件下的效率居然有89%。也就是說,即使是線性穩壓器,若輸入和輸出的電壓差小的話效率也是變高,可以獲得相同於開關式穩壓器的高效率。首先,看圖25便一目了然,若VIN接近電壓降VDROPOUT的話,損失功率會減少,效率會變高。

若是這樣的條件,則LDO的貢獻度就變得非常高。此條件下,由於輸出入差為0.3V,線性穩壓器的選擇為LDO,而且是電壓降為0.3V以下之LDO。標準型線性穩壓器無法因應此條件,如果硬要使用標準型的話,輸入電壓必須在6.3V以上(電壓降設為3V),而且無法處理最初的5V輸入條件。此外,效率也會降為52%。反之,從12V製作5V時,不管是LDO或是標準型,效率或損失都不會改變。

線性穩壓器的效率仰賴輸出入電壓差。對於可以將輸出電壓差降到多小,雖然電壓降有關係,不過與效率沒有直接關係可以從公式中電壓降一項清楚得知。此點請勿混淆。

重點:

・效率是功率轉換效率的意思,線性穩壓器和開關穩壓器的思考方式皆同。

    

・線性穩壓器若彙整條件的話,亦可獲得與開關穩壓器相同之效率。

    

・圖25:如何將損失功率降至最少,是線性穩壓器效率提升的關鍵。

線性穩壓器的熱計算

熱計算需要損失功率、封裝(package)之熱阻抗、以及周圍溫度等資訊。損失功率與效率計算的計算方法相同,純粹為輸出入電壓差和輸入電流相乘之値。熱阻抗應該有記載數據表,沒有時則有必要詢問廠商。基本上使用晶片(接合面Junction)和周圍(Ambient)間的熱阻抗、θja。儘管有些IC可提供到外殼的熱阻抗θjc,然而還是得求到θja為止的熱阻抗。最後是周圍溫度,這個可以根據整機的額定值來推算,如以50℃來估算也可。如果要求條件較高時,須進行實測來。

圖26

圖26

想法如下,可以根據損失功率和熱阻抗求IC晶片的發熱後再加入周圍溫度後求晶片的溫度,確認已計算之Tj(晶片溫度)是否沒有Tjmax(晶片溫度的最大額定)。如果已超過Tjmax時須變更任一條件。前項業已說明,並非全部皆能如規格般使用,依輸出入電壓、輸出電流、周圍溫度而受到限制。
一般來說,超過額定而可以變更輸入電壓或輸出電壓的例子應該不多。或許可以減少負載電流(輸出電流)來做為處理方式。此時,接受功率供給之裝置(device)須盡量選擇消耗電流少的。其他可能的方法還有降低周圍溫度。例如,從自然對流空冷變更為風扇冷卻、已有風扇的話就提升冷卻能力、重新評估對流等。另外雖然還有在線性穩壓器安裝散熱片來降低熱阻抗及減低發的方法,不過散熱片的成本和尺寸想必是很大的檢討事項。而且,在提升電源效率減少發熱的觀點上可以考慮使用下一項所説明的開關穩壓器。

重點:

・檢討不超過 TjMAX (最大額定)的重要項目。

・調整需要在Ta和發熱(損失功率×熱阻抗)間進行權衡(trade off)。


線性調節器和開關調節器的基本資料