低压差线性稳压器LDO的设计选型

1 引言 

在目前的电路设计应用中，低压差线性集成稳压器(LDO)由于其稳压性能好，转换效率高，输出纹波小等优点，已经成为电路设计中广泛使用的电源集成电路。各公司的类似产品也很多。本文对工程师快速评估线性稳压器件及设计选型进行概述。

 

2 基础理论

普通线性稳压器由于其内部调整管与负载相串联且调整管工作在线性工作区而得名。选择线性稳压器首先根据应用要求，要考虑的是输入电压（V_I），输出电压（V_O）和输出电流（I_O）。选择线性稳压器时还有一个重要的，但常常被忽略的问题是热量问题。但是为了保证稳压效果，输入输出压差一般到4~6V以上才能正常稳压工作。稳压器的功耗P_D＝（V_I－V_O）×I_O。所以电源的转换效率很低，一般为45%左右。稳压器的耗散功率P_D几乎完全以热量的形式耗散。

LDO作为线性稳压器的一个子集，工作原理与普通线性稳压器类似，但是其内部调整

管选择低压降的PNP晶体管从而把输入输出压差减低到1V以下。从而提高了转换效率。在以下的应用情况下LDO有其自身的优势：

●     要求电源转换效率高。

●     V_I可以很接近V_O，因此可以减少LDO的耗散功率和提高效率。

●     电池可以作为V_I源，因为LDO稳压器有相对宽的稳压范围。

 

3 一般设计方法

利用已有的V_I，V_O和I_O（max），可以计算P_D（max）：

       P_D（max） ＝P_I－P_O                           （1）

                     ＝（V_I－V_O）×I_O                     （2）

       P_I  ：进入LDO的功率。

       P_O ：LDO输出的功率。

P_D（max）：线性稳压器件可以消耗的最大功率。

V_I  ：LDO的输入电压。

V_O ：LDO的输出电压。

       I_O ：LDO的输出电流。

注意：线性稳压器件的I_Q（静态电流）由于比I_O小很多数量级常常被忽略。因此，我们假设I_I＝I_O。

       因此，可以利用P_D（max）与相应的线性稳压器件的器件资料进行比较。如果器件资料中有功率耗散（power dissipation）表，使用P_D（max）并交叉参考环境温度，覆铜面积和气流条件选择相应的封装。如果器件中只提供了相应封装的θja ，利用下式计算θja ：

       θja（max）＝（Tj－Ta）/ P_D（max）            （3）

       θja：热阻, 结温到环境温度（℃/W）

       Tj：结温。

       Ta：环境温度。

       如果P_D（max）小于功率耗散表中的功率或器件资料中的θja小于上式计算的θja （max），则对应封装的散热是可以接收的。否则，该封装不能采纳。而且，在阅读器件资料时要将θja 或P_D（max）与应用中相应的覆铜面积和气流综合考虑。

       当最初的线性稳压器件的热量散耗不足时，最先考虑的是替换不同的封装。一般可以采用比应用所需电流更大输出能力的线性稳压器件以满足合适的热量条件。

       如果，没有其它的封装能够满足应用。下面就要考虑加散热片或替换电源的解决方案。当考虑散热片时，利用（3）式计算的θja 代入（4）式：

       θsa ≤ θja（max）－θjc －θcs

       θja：热阻（结到环境）。（℃/W）

       θjc：热阻（结到封装表面）。（℃/W）

       θcs：热阻（结到散热片）。（℃/W）

       θsa：热阻（散热片到环境）。（℃/W）

       注意：θcs 是封装表面与散热片的热量接口，无论是空气，PCB/覆铜或其它类型的散热片。

       选择具有合适的θsa 的散热片还要考虑散热片的形状以适应线性稳压器件的封装。

 

4 输入电压，压差电压（V_{D O}）

线性稳压器件的压差电压常常被误解。正如上面讨论的，V_I和V_O之间的电压差是通过线性稳压器后的压降。对于固定的负载电流，线性稳压器的输入与输出的电压降越小功率散耗就越低。压差电压是LDO稳压器技术指标中定义的能够稳压工作时V_I和V_O之间最小的差值又称为V_{D O}。

区分标准的线性稳压器与LDO可以看V_{D O}的大小。一般认为V_{D O}＜1V的为LDO，V_DO＞1V的为标准的线性稳压器。

      

5 设计实例

实例1：

给定TMS320C6201 DSP ，有下列的系统需要：

内核电压Vcore  ：1.8V±3%（功率Pcore ＝ 1.0W时）

I/O电压V_IO    ：3.3V±5%（功率Pio ＝ 0.2W时）

LDO输入电压Vi ：5.0V±5%

环境温度 Ta     ：50℃

找出满足以上条件的双输出LDO为DSP供电。

 

我们首先要确定双输出LDO的最大总耗散功率：

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）

下面确定某封装的最大热阻：

P_D（max）＝（Tj（max）－Ta）/θja

θja  ≦（Tj（max）－Ta）/P_D（max）

大部分的LDO的数据资料中Tj（max）＝125 ℃

 θja ≦（125－50）/ 2.134 ＝ 35.1（℃）

   这样更据DSP《电源管理选择指南》的电源选择表或自己查询相关LDO的资料，可以确定合适的LDO型号。

 

实例2：

TPS76833有8脚SO封装和20脚TSSOP封装两种。SO封装对应的热阻θja＝172℃/W,TSSOP封装对应的热阻θja＝32.6℃/W。试确定下列哪种封装满足下列工作条件：

Vi＝5.0V＋5%

Vo＝3.3V±2%

Io：0.95A

Ta＝50℃，自然通风。

首先，确定最大耗散功率

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）

更据以上条件计算相应的热阻θja：

θja≦（Tj（max）－Ta）/Pd（max）

由TPS76833的数据资料可知，Tj（max）＝125℃。所以：

θja≦（125－50）/1.915＝39.1（℃/W）

所以，应该选择20脚TSSOP封装的TPS76833器件。

 

6 结束语

       LDO是具有低压差和较宽输入电压范围的稳压器。适用于便携式设备的供电要求。如果，已选定的器件热阻不能满足，应用的热阻条件可以考虑增加散热片或覆铜面积的方法。必要时可以考虑更改封装类型。在初次设计选择器件时要根据应用条件，计算出最大热阻。然后选择相应的器件，这样可以保证设计的成功应用。