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测试 LDO 效率的极限
测试 LDO 效率的极限
如果您要设计的电路板由除台式稳压电源以外的任何电源供电，您需要选择一个电源调节器以放置在您的电路板上。就像任何其他组件一样，您的稳压器已经说明了您将在产品摘要中看到的操作规格，并且您可以在数据表中找到更详细的规格。数据表中的细节很容易被忽视，但它们是决定组件将如何与系统其余部分交互的主要因素。
LDO 等电源稳压器在您的设计中易于放置和使用。它们实际上是即插即用的，最简单的固定输出 LDO 需要 3 个端子和几个外部电阻器才能正确使用。不能保证 LDO 效率处于特定值，但该值与您的电路板在操作期间可以访问的电流限制有关。在将高压输入连接到 LDO 之前，请务必阅读这些指南以确保您可以提供足够的电源。
什么决定了 LDO 的效率？
LDO 很简单，工作原理相同：组件将输入电压降低到所需的输出，多余的电能以热量的形式消散。LDO 可通过分压器进行外部调节，您需要一些输入/输出电容来进行额外的滤波。每个 LDO 都有一个简单的公式来确定效率：
LDO 效率方程。
当输入接近输出电压时，效率接近100%。请注意，此公式仅适用于电压差（输出 - 输入）高于压差电平（通常在低电流时小于 1 V，在高电流时高达 1.5 V）的情况。只要您处于这种状态，LDO 就会正确调节输入以产生低噪声、低纹波的输出。最简单的 LDO 会输出一个固定值，或者可以根据需要使用外部电阻调整输出。由于输出电压固定在某个值，增加输入电压不会继续增加输出，因此效率降低。
那么以上几点有什么问题呢？效率突然下降的地方在哪里？要看到这一点，我们必须查看输出电压和电流。在高输入电压差下，效率和功率输出会下降。
输出电压和电流
您应该在 LDO 数据表中查看一个重要的规范：短路电流。这实际上是设备可以提供的最大电流，并且该值将随输入电压差而变化。请记住，输出电压和电流是固定的，如果输入电压增加，则不会增加，因此最佳实践要求输入应略高于输出电压值。这就是为什么您通常会看到 LDO 用于小降压，例如 5 V 至 3.3 V 以满足已知电流要求。
在考虑短路电流和电压差时，还有一点很重要。当 LDO 由非常高的电压差驱动时，短路电流也会降低。这相当重要，因为一些 LDO，例如具有 3.3 V 输出的 LDO，将具有高达 30 V 的输入电压容限。在高输入电压差时，短路电流将下降并受到限制，这将限制总功率输出。
下面的示例显示了Linear LT1086CM的短路电流与输入差分曲线。
LT1086CM 短路电流。
该组件具有一系列可能的输出，对输入电压有很高的限制。如果您在高输入（高于 20 V 电压差）下运行，该组件将不会提供超过 100 mA 的电流。在为您的电路板选择法规策略以及确定潜在的温升时，需要考虑这一点。
热量和温升
由于损失的功率以热量的形式耗散，因此在您的设计中也应考虑这一点。LDO 中的损耗功率等于：
LDO 散热率（W）。
同样，当输入和输出电压接近时，功率损耗最小，但以几安培的输出电流以高差分运行会导致过热和故障。
举个例子，LDO 的典型结到环境热阻值约为 25 摄氏度/瓦。LDO 可能会烧坏并出现故障。让我们看一下上面的例子，LT1086 以 25V 的电压差驱动，负载需要 1.5A。由于高输入时的电流限制，在这种情况下以大约 2.5W 的速率产生热量，相当于外壳温升约62.5摄氏度。如果您在低输入范围的高端附近工作，在 1.5 A 时的电压差仅为 8 V，则将耗散约 12 W，从而使温度升高约 300 摄氏度。后一种情况将导致组件失败。
结论：如果使用得当，LDO 会很棒
如果您使用的是 LDO，请确保保持在正确的操作范围内，以确保设备按您的预期工作。如果您不介意产生大量热量并在低电流下工作，那么您可以随意在高输入电压和大电压差下运行 LDO。准备好接受这种安排中非常低的效率。相反，如果您在预期输入范围内操作设备（您可以从数据表中的几张图表中看出这一点），您将获得尽可能高的效率、低压差和高可用电流。
一种好的安排是将开关稳压器作为主稳压器，并将输出连接到 LDO。开关稳压器很好，因为它们使用电抗电路而不是电阻元件来调制输出功率，但这会在输出端产生开关噪声。但是，使用 LDO 可提供高达 ~100 kHz 频率的额外调节。
带有降压转换器和 LDO 的功率调节链。
另一种选择是将您的线路电压直接转换为略高于压差电压的值。不幸的是，对于真正的组件，您不能仅仅转换为您想要的任何值，您必须使用具有特定匝数比的现成组件。降低 LDO 所需的特定输入电压可能需要定制变压器，因此在尝试调节线路电压以用于 LDO 之前，请记住这一点。