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线性稳压器的工作原理及主要规格与热计算

2021-3-31 11:00:12 显示全部楼层
本帖最后由 techff 于 2021-3-31 11:03 编辑

线性稳压器的基础
线性稳压器又称为三引脚稳压器或降压器等,由于电路简单而容易使用,是许多设计者以前早就耳熟能详的电源。过去由分立器件所构成,IC化普及后变得既简便又小型,被使用在各种不同电源的应用中。近年电子设备要求必须具有高效率,需要大输出功率的设备逐渐以开关电源为主流,不过简单又省空间且低噪声的线性稳压器则是哪里都用得到的电源。
本项从线性稳压器的工作原理开始,说明其主要规格与热计算。

线性稳压器的工作原理
线性稳压器基本上由输入、输出、GND引脚所构成,可变输出则在此增加反馈输出电压的反馈(feed back)引脚(参考图1)。

线性稳压器内部电路概述如图2所示。基本上由误差放大器(误差检测用运算放大器)、基准电压源、输出晶体管所构成。输出晶体管虽用Pch MOSFET,但也可使用Nch的MOSFET、双极的PNP、NPN晶体管。

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图 1:一般线性稳压器

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图 2:内部电路概述

工作是完全模拟,是使用了运算放大器基本控制电路之一,即反馈(feed back)环路。输入或负载变动后,即使输出电压开始变动,误差放大器也会连续比较来自稳压器输出电压的反馈电压和基准电压,调整功率晶体管使差分为零,将VO维持恒定。这是反馈环路控制稳定化(调节)。

具体上如前所述,误差放大器非反转引脚的电压由于经常与VREF相同,故流向R2的电流将会恒定。流向R1和R2的电流通过REF÷R2可以求得,故Vo将为此电流×(R1+R2)。这就是欧姆定律,公式如下:
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线性稳压器的分类
系列稳压器、三引脚稳压器、降压器、LDO。这些想必有听过的名称全都是指线性稳压器。除了这些名称,根据其功能或方式可以分成几类。

首先,大致分类的话可以分为正电压用和负电压用。另外,负电压用种类并不多。其下可分为固定输出型和可变输出型。固定型有输入、输出、GND等3引脚,以标准型号78xx(正)、79xx(负)型为代表。IC内置设定用的电阻,反馈引脚无须外露。可变型如图1例所示,如果为GND基准型,反馈引脚会露出变成4引脚。可变型还有无GND引脚的浮动工作317(正)、337(负)等类型,这些为3引脚。

固定和可变的又分为标准型和LDO型。LDO是Low Dropout的简称,相对于标准型3V左右的压差电压(可进行稳定工作的最低输出输入电压差),改良的1V以下的LDO,在3.3V电源IC问世时开始普及。在12V转换至5V规格全盛时期,即使压差电压为标准型3V左右也没有什么问题,但如果需3.3V电源时就无法从5V产生3.3V,于是就诞生了LDO。
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图 3:线性稳压器的体系

上述线性稳压器都为内置输出晶体管型,此外还有外置输出晶体管以便处理大电流的线性稳压控制IC。

其他还有按照制造工艺特征来分类。一般双极工艺的线性稳压器多为35V或50V等高耐压品,消耗电流则多以几mA。CMOS类最近也出20V等高耐压品,输入电压多设定在5V。但消耗电流非常小,只有几十μA。

封装方面,线性稳压器注重散热,故使用热阻低的封装。插件型以附散热片的TO-220,表贴型则使用散热片外露于背面的类型为主。
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图 4:各种封装的使用

关键要点:

・分正电压用和负电压用,各有输出固定型和可变型。
・LDO为输出输入间电压损耗低的类型,为支持电源电压更低而生。
・封装仍多使用附有散热片的插件型。

线性稳压器的电路构成和特征

线性稳压器的电路构成虽然基本上为图5的反馈环路电路,不过压差电压会因输出晶体管种类而异。
标准型和LDO型有极大不同,而LDO型中更可分为3种。使用双极NPN晶体管的LDO虽然品种不太多,但可以处理大电流。甚至可达10A之高,但压差电压则为1V~2V以下,在LDO中为高压类。双极PNP晶体管的LDO目前是双极系LDO主流。起初很难克服启动时的浪涌电流或电流容量问题,不过已逐渐改善。输出晶体管使用MOSFET的产品可支持更低输出电压、以支持电池驱动应用产品的低功耗需求。
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图 5:基本电路和输出晶体管

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图 6:输出晶体管和压差电压

关键要点:

・压差电压视因使用的输出段(控制)晶体管种类而异,故根据使用条件分开使用。

线性稳压器的重要规格
这里所提的线性稳压器是IC(Integrated Circuit/集成电路),与其他的IC,例如运算放大器等,同样有表示特性或性能的规格。规格的英语为Specification,有方法、标准、基准等含义。线性稳压器的技术规格即规格表,其中有表示输出电压值及其精度等。这些称为参数。技术规格除了参数之外,还记载了最大额定值、工作保证条件、特性图表等非常重要的信息。图-9为基本技术规格、规格确认点及规格表例。
绝对最大额定值定义为连一瞬间都不可超过的值。其中虽然然有时会包含短路时间等时间概念的项目,不过基本上任何时间都不可超过,当然更没有±5%的公差值。有时会出现:“超过的话会如何?”或“有多少余量?”等提问。或许大家有兴趣知道,不过考虑绝对最大额定值的定义后就了解这问题并没有讨论的空间,应该探讨的是如何让使用上的最大值不超过最大额定值,或是使用较充裕的最大额定值。
保证规格值的条件非常重要,例如确认施加电压或温度等。实际使用条件和规格要求条件未必一致。例如,如果条件为Ta=25℃,其保证值则终究为Ta=25℃下的值。然而,实际使用上并非Ta=25℃这样的恒温条件中。因此,查看规格值时务必确认是否为某一点值、某范围,例如工作保证温度的值,然后再确认实际使用条件及接近设计设备工作条件的值。附带的特性图表可有助于判断。
最后,规格值会记载最小值(Min)、最大值(Max)、标准值(Typ)的任何一值或全部。其中,可以保证的只有最小值和最大值。标准值根据特性分布或统计手法,数值有“大概这么多”的含义。尽管基本上以规格值作为设计的基础,然而到底该使用哪个值来设计才好呢?标准值的大概是什么意思?原则上来说是要以最差条件的值为基准。如何判断就需要靠设计者的诀窍与经验。
下面介绍线性稳压器中最起码必须了解和探讨的7项关键要点规格。当然,其他规格也不能忽视。除了线性稳压器外,充分阅读技术规格对设计者来说也非常重要。
  • 1) 输入电压范围
  • 2) 输出电压范围
  • 3) 输出精度(VREF精度)
  • 4) 输出电流
  • 5) 压差电压
  • 6) 瞬态响应特性
  • 7) 纹波抑制率
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图 9:技术规格、规格的确认要点
关键要点:

・绝对最大额定为必须严格遵守的重要项目。
・在设计上,所有工作温度范围内可保证的值是有效的。
・Typical值非保证值。
・充分阅读技术规格(不要仅限于电源IC的)也非常重要。

输入电压范围
输入电压范围必须确认2个值。最大额定值所显示的范围有“可输入”之意,施加电压的范围,并非表示在此范围内都会正常工作所以要默认不稳定电压的状况,并确认是否在范围内。
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图 10:输入输出的关系

区别于最大额定,还有工作输入范围或推荐输入范围项目,故以后两者为目标。
图10为输入范围、输出范围、以及压差电压的关系。有效输入范围为“输出电压+压差电压到最大输入电压之间”。线性稳压器只能降压,所以输入电压低于“输出电压+压差电压”无法工作。至于输入这种电压以下会如何则视IC电路构造而定,但大多会呈现“输入电压-压差电压”左右的电压。不过并不能保证是否稳定工作。如果输入电压更低时,一般认为会突然降至0V。但在以电池驱动等应用,电路都会持续工作到电池耗尽,这类电池应用也会使用到低电压领域。
关键要点:

・图10的关系须充分了解后设定输出输入条件。

输出电压范围
输出电压范围为可变型的专用规格,固定输出型则没有。输出电压范围,是指在支持可变上输出电压可设定的电压范围。
输出电压范围基本上其可变型可设定的最低电压为VREF。VREF是1-1)项工作原理中已说明的误差放大器所连接的比较用基准电压。
工作电路无法处理低于基准电压(VREF)的电压。VREF是IC的一部分,所以基本上无法从外部变更。一般来说,CMOS系线性稳压器大概使用0.8V左右,而双极是使用1.2V左右的VREF。这里必须注意的是,例如如果需要1V输出功率时,则不得选择1.2V的VREF。
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图 11
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图 12
话题回到输出电压范围,其最低电压为VREFf,最大为最大输入电压(VIN MAX)-压差电压(图10参考)。
输出输入条件可根据上述关系以计算求得,但有时会因功率损耗而受限制。进行不超过TjMAX的热计算,有时会因VIN、VOUT、IOUT、Ta的的条件而需要权衡。
关键要点:

・通常无法将低于VREF的电压设定为输出。
・视设定条件而定,有时无法容许热损耗,故必须通过热计算来确认。

输出精度(VREF精度)
输出精度为固定输出型输出电压的容许误差。以前的标准为±5%,最近则大多为±1%的高精度。
输出精度与温度及输出电流密切相关,实际上的使用状况并非只在25℃,故设计时须参考全温度范围规格。
可变型方面,VREF精度合适,将成为IC本身的精度。可变型的输出电压由于可用外置电阻来设定,因此,可变型的输出精度须于VREF的精度掺入输出设定电阻的误差。
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图 13
关键要点:

・可变型的输出电压精度受VREF精度及输出设定电阻的误差所影响。
・如果为通用电压,则最好使用固定型。输出精度更高,且不必外置2个电阻。

输出电流
输出电流的规格为保证可输出最低限电流的项目,基本上想必大多规定最小值。视技术规格而定,有时以输出电流界限(Output Current Limit)来表现。英语Limit的意义在此并非“限制”而是“界限”,如果可保证最小值,其意为“保证最小限度的电流值”,因此实际上为超过的电流。必须注意的是,有时会因误认该值为限流值而破坏负载。此外,有些IC会规定最小值和最大值。此时最大值有电流被限制之意,为慎重起见,最好向厂商确认其限制值。
那么,可以利用被保证的输出电流吗?答案是 “视条件而定”。在兼顾输出输入条件、周围温度条件的考虑下决定。这里再次陈述,对线性稳压器而言,永远需要热计算,而且是重要的管理项目之一。
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图 14
类似规则中,有时会显示短路电流。短路电流是输出引脚接地故障,也就是与GND短路时所流动的最大电流。了解此电流的话将有助于在最恶劣条件下的应对决策。
几乎所有线性稳压器都拥有输出短路时的保护功能。热关断是代表性保护功能,检测出芯片温度后切断输出电流。线性稳压器的芯片通过此功能而不超过限制温度(大多在150℃前后)以上,故几乎在任何情况下都不会损坏。而在芯片的温度下降时,会自动复原(例如过热闭锁(Latch-Off)等),如果无法去除负载障碍的话,有时又会开始流出电流,间断流动可输出变成负载电流,也有可能在未达负载前的状态下不受保护。
关键要点:

・务必详细确认技术规格的符合项目,并确认是否为最大值或最小值。
・规定输出电流并非经常可以获得。受输入输出条件和TjMAX所限制。
・务必确认过电流时或短路时的工作(最大电流、热关断、过热闭锁等)具体会如何。

压差电压
压差电压是指线性稳压器稳定工作所必要的输入电压和输出电压的差。有时会以损耗电压表现,当然由于为前述定义的电压损耗,因此其意义不同于例如以12V输入得到5V输出时的电压损耗为7V。压差虽字义为释放(Dropout),但当输入电压接近输出电压时便无法维持稳定工作,输出会开始与输入成比例下降。此状态以英语的Dropout来表现,而进入此状态的电压,也就是稳定工作所需的输入电压和输出电压的差则称为Dropout电压(存在各种说法)。
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图 10:输入输出的关系

先前用来表示输出输入电压和压差电压间关系的图10再显示一次。如1-3)线性稳压器电路构造和特征一项所说明,压差电压视IC的电路构造而定。相较于标准型,LDO的压差电压较低。就单纯关系而言,压差电压越低越能以接近输出电压的输入电压工作。这在输入电压会变动的电池驱动应用上成了重要的规格。反之,从12V制造5V的应用上,压差电压并不重要。另外,压差电压小的话,效率是否会变好? 这个问题稍后再做说明。
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图 16:压差电压和输出电流
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图 17:压差电压

图16和17表格为压差电压、输出电流以及温度的关系。一如所见,对于温度或输出电流可以说各有其适当变动的参数。如果以常温规格勉强设计的话,有可能会因高温而无法工作。除了压差电压外,特性图表也提供了非常重要的信息。
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图 15
重點:・必须充分理解图10的关系。
・由于变动会因输出电流和温度而变大,因此切勿陷于最小输入电压时无法工作的条件中。

瞬态响应特性
瞬态响应特性如果输出电压通过负载电流的变动而变动时,线性稳压器将会回到所设定输出电压的电压值。从输出电压的变动到还原的时间称为瞬态响应特性。严格来说是负载瞬态响应特性。
稳压器的工作不就是稳压吗?...或许有人会问。的确,稳压器会使工作稳定,只是不仅是稳压器,任何东西在状态变化后一直到对应都需要一定的时间。输出的负载变动非常快速时,线性稳压器将来不及进行反馈(稳定化)电路反应,出现负载电流急剧増加时输出电压下降,急剧减少时上升的现象(参考图19、20)。
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图 19:负载电流急増例。输出电压会随着振铃逐渐恢复后瞬间下降。

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图 20:负载电流急减例。输出电压瞬间上升

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图 18

由此可见,在负载电流急剧变化的应用上,瞬态响应特性是很重要的特性。输出电压通过负载变动而大变动时,如果其恢复速度慢则或许会产生电路复位或数据错误等故障。为使这种故障减至最小限度,必须选择瞬态响应特性良好的线性稳压器。之后会说明的开关稳压器虽然也同样具有瞬态响应特性,不过线性稳压器的瞬态响应特性由于连续进行电路控制,故比较高速。
然而,瞬态响应特性几乎所有情况都无法保证规格。因其受到输出电容或配线电感值的影响,所以无法一概决定规定值。标准电路例的特性如图表所示,此时可作为参考值。如上述,由于特性也会因PCB设计而异,故最后推荐以实机进行实测。
关键要点:

・负载(输出)电流急剧变动时,输出电压会变动,在恢复之前需要时间(响应时间)。
・响应时间因IC或输出电容的特性而异(有可以改善的可能性)。
・变动太大时可能会超过电源监视功能的阈值而复位。

纹波抑制率
纹波抑制率是一种以输出可以抑制多少输入纹波电压的规格,虽有PSRR或输入电压纹波抑制等称号,然意义都相同。纹波抑制率大多以dB表示,例如如果为60dB,则表输入的纹波可去除为1/1000。如果为100mV的纹波,则为0.1mV。
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图 23

纹波抑制率如果输入的纹波为大则很重要。最近多为开关式隐压器,在规避噪声的应用上也因效率等观点而改为使用开关稳压器。不过,在无法妥协S/N的应用上,为了去除附带开关稳压器输出的开关噪声(纹波),有时会利用线性稳压器的纹波抑制功能。虽然确实是有效的方法之一,不过必须详细探讨输入的纹波频率和纹波抑制率的频率特性。一般来说,纹波抑制性能当频率变高时会降低。因此,当纹波频率高时,有时获得的效果不太好。
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图 21
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图 22

图21为极普遍的线性稳压器纹波抑制特性,相对于频率,抑制率逐渐降低,由于80kH时约8dB左右,故只能去除到1/2.5。反之,开关稳压器的开关频率则高达数百kHz到数mega,例如600kHz的开关稳压器的纹波如果有100mV时,则会残留40mV的纹波。最近有针对频率特性改良的线性稳压器问世,图22例中,600kHz时的纹波抑制率有28dB,故可抑制到1/25,使纹波为4mV。
关键要点:

・原本的功能为降低整流-平滑后的纹波。
・连接于开关稳压器之后可降低开关纹波,要注意纹波频率。

优点和缺点、应用
线性稳压器的最大优点在于使用简单。由于输入和输出各只附1个电容器工作,实质上或许可以说不需要设计。换句话说,散热设计或许比电路设计麻烦(参考热计算1-6)项)。此外,因为没有开关电源般的开关噪声,纹波抑制特性或电压噪声本身也小,所以在例如AV、通讯、医疗、测量等必须排除噪声的应用上较受欢迎。
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图 7:应用例

缺点在于输出输入的电压差大则损耗就大,损耗几乎完全变为热能,某些条件下发热会非常大。如果使用功率达几瓦以上等级,就必须常常面对发热的问题。此外,线性稳压器只能降压。负电压用的情况虽也相同,不过负电压经常被混淆,在此加以说明。负电压用线性稳压器,例如输入功率为-5V时,无法输出更低的-12V。由于电位从-5V降至-12V,电压从-5V朝-12V的负方向増加,故会朝负方向升压。因此,可以做到的是以输入-12V达到输出-5V。
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图 8:优点和缺点
关键要点:

・充分了解优点/缺点后,与开关型一起进行比较探讨。
・如果条件充分,则线性稳压器在许多情况下是最佳选择。

效率和热计算
现在说明线性稳压器的效率和热计算。如前述,这是使用线性稳压器所必须探讨的事项。
线性稳压器的效率         
效率的定义为转换输出功率对所输入功率的比,通常以%显示。这在开关稳压器方面也一样。以下公式中,输入电流IIN所含的ICC是IC本身的消耗电流。但是,因其值小,所以负载电流大时可以忽视。此时,因可以使输入与输出的电流相同,所以只要纯粹以输入电压除输出电压便可以计算。
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图 24
图24例中,5V转换成3.3V的效率为64%。近年来开关稳压器的效率在80%~90%以上,因此64%非常低了。
在这里,我们试着将图24例的输入电压5V变更为3.6V看看。5V可以看成是系统电压,而3.6V则是锂离子二次电池的电压。
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图 25:损耗功率
在这种条件下的效率居然有89%。也就是说,即使是线性稳压器,如果输入和输出的电压差小的话效率也是变高,可以获得相同于开关稳压器的高效率。
首先,看图25便一目了然,如果VIN接近压差电压VDROPOUT的话,功率损耗会减少,效率会变高。如果是这样的条件,则LDO的贡献度就变得非常高。这种条件下,由于输出输入差为0.3V,线性稳压器的选择为LDO,而且是压差电压为0.3V以下的LDO。标准型线性稳压器无法支持这种条件,如果硬要使用标准型的话,输入电压必须在6.3V以上(压差电压设为3V),而且无法处理最初的5V输入条件。此外,效率也会降为52%。反之,从12V制作5V时,不管是LDO或是标准型,效率或损耗都不会改变。
线性稳压器的效率依赖输出输入电压差。对于可以将输出电压差降到多小,虽然与压差电压有关系,不过与效率没有直接关系可以从公式中压差电压一项清楚得知。此点请勿混淆。
关键要点:

・效率是功率转换效率的意思,线性稳压器和开关稳压器。
・线性稳压器如果如果总结条件的话,也可获得与开关稳压器相同的效率。
・图25:如何将功率损耗降至最少,是提升线性稳压器效率的关键。

线性稳压器的热计算
热计算需要功率损耗、封装的热阻、以及周围温度等信息。功率损耗与效率计算的计算方法相同,纯粹为输出输入电压差和输入电流相乘的值。热阻应该有记载技术规格,没有时则有必要询问厂商。基本上使用芯片(接合面Junction)和周围(Ambient)间的热阻、θja。尽管有些IC可提供到外壳的热阻θjc,然而还是得求到θja为止的热阻。最后是周围温度,这个可以根据整机的额定值来推算,如以50℃来估算也可。如果要求条件较高时,须进行实测。
想法如下,可以根据功率损耗和热阻求IC芯片的发热后再加入周围温度后求芯片的温度,确认已计算的Tj(芯片温度)是否没有Tjmax(芯片温度的最大额定)。如果已超过Tjmax时须变更任一条件。前项已经说明,并非全部都能如规格般使用,依据输出输入电压、输出电流、周围温度而受到限制。
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图 26
一般来说,超过额定而可以变更输入电压或输出电压的例子应该不多。或许可以减少负载电流(输出电流)来作为处理方式。此时,接受功率供给的装置须尽量选择消耗电流少的。其他可能的方法还有降低周围温度。例如,从自然对流空冷变更为风扇冷却、已有风扇的话就提升冷却能力、重新评估对流等。此外,虽然还有在线性稳压器安装散热片来降低热阻及减低发的方法,不过散热片的成本和尺寸想必是很大的探讨事项。而且,在提升电源效率减少发热的观点上可以考虑使用下一项所说明的开关稳压器。
关键要点:  

・探讨不超过TjMAX(最大额定)的重要项目。
・调整需要在Ta和发热(功率损耗×热阻)间进行权衡。

来源:techclass.rohm

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