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關鍵詞:LDO, 線性穩(wěn)壓器, 散熱, 降溫, 溫度, 器件

很多電子設計都要求系統(tǒng)的不同部分具有多個電壓軌。例如, 系統(tǒng)中可能含有由低壓電子設備控制的高壓電機。在此類系統(tǒng)中, 最便捷的方法是使用所需的最高電壓為整個系統(tǒng)供電, 然后將該電壓降低到控制電子設備的低壓電軌。

很多人在設計此類系統(tǒng)時所用的首選器件是線性穩(wěn)壓器。線性穩(wěn)壓器的設計概念很簡單, 通常能無差錯地完成任務。但是, 在實際應用過程中往往不是這么回事——在概念上講得通, 在原型設計工作臺上也能實現(xiàn), 但并不代表在實際操作中一定能行得通。

Digi-Key常常收到購買Digi-Key線性穩(wěn)壓器的客戶投訴, 他們稱自己“收到了壞的線性穩(wěn)壓器”。癥狀包括：線性穩(wěn)壓器關閉（無輸出電壓）, 或者線性穩(wěn)壓器在某些情況下居然出現(xiàn)過熱和停機現(xiàn)象。

線性穩(wěn)壓器出現(xiàn)的大多數(shù)問題，都是因客戶不了解線性穩(wěn)壓器的工作方式而造成的。如猛降功率產(chǎn)生的熱量超出線性穩(wěn)壓器所能消散的熱量, 從而導致過熱。即使使用大型散熱器, 如果輸出電流接近其指定范圍的上限并且輸入和輸出電壓之間的差值太大, 線性穩(wěn)壓器也可能會過熱。

例如, 如果所需的輸出電壓和電流分別為5V和1A, 并且可用電源電壓為24V, 則可以采用問世已久的78xx系列的穩(wěn)壓器, 例如MC7805BTG就足以滿足要求。畢竟, 根據(jù)該穩(wěn)壓器的規(guī)格, 它可以處理最高35V的輸入電壓, 并且能夠在穩(wěn)定狀態(tài)下以最高1A的電流輸出規(guī)定的5V電壓。

問題在于, 只要器件未超過最高內(nèi)部核心溫度 (通常稱為“最高工作結溫”),一般都能滿足一些應用規(guī)格的要求。除非對穩(wěn)壓器主體施加高級別的冷卻（考慮制冷和液體冷卻）, 否則通常不可能同時實現(xiàn)穩(wěn)壓器的所有最高規(guī)格。要使穩(wěn)壓器的設計生效, 必須滿足以下任一要求：

降低負載電流
減小輸入和輸出之間的電壓差
增加散熱
綜合使用上述幾種方法

由于負載電流和電壓要求通常是固定不變的, 因此在這方面能采取的措施非常有限。有時可以降低輸入電壓, 但此舉對內(nèi)部功耗造成的影響最大。最后, 可以添加更大的散熱器, 或者可以利用風扇進行強制通風, 以便更高效地為封裝散熱。

要確定特定應用所需的散熱量, 必須考慮穩(wěn)壓器的最高內(nèi)部核心溫度, 即終端設備運行時電路板周圍的預期最高空氣溫度(稱為“最高環(huán)境溫度”), 以及內(nèi)部核心和環(huán)境空氣之間的界面的熱阻。

熱阻以℃/W表示, 器件封裝和任何應用的散熱器都具有熱阻特性。例如, MC7805BTG常用的TO-220外殼的熱阻約為5°C /W并且最高結溫為150°C。典型的TO-220散熱器具有約15°C /W的熱阻。這種組合在內(nèi)部核心和環(huán)境空氣之間存在20°C /W的組合熱阻。

摘自MC7805規(guī)格書：

使用先前描述的示例, 可以通過查找系統(tǒng)的輸入功率和輸出功率之間的差值來計算線性穩(wěn)壓器消耗的近似功率水平。請注意, 對于線性穩(wěn)壓器, 輸入電流幾乎與輸出電流相同（輸入電流實際上略高, 但就本次討論而言, 這可以忽略不計）。

輸入功率：P（in）= V（in）x I（in）= 24V x 1A = 24W
輸出功率：P（out）= V（out）x I（out）= 5V x 1A = 5W
穩(wěn)壓器功耗：P（reg）= P（in）- P（out）= 24W - 5W = 19W

那么, 核心溫度在上述條件下會升至多高？

核心結溫 =（外殼熱阻 + 散熱器熱阻）x 內(nèi)部功耗 =（5°C /W + 15°C /W）x 19W = 高于環(huán)境溫度380 °C

溫度太高了！即使采用熱阻為5°C/W的真正高效的散熱器, 核心結溫也會比環(huán)境溫度高190°C。如果環(huán)境空氣溫度為25°C, 則核心溫度為215°C, 這遠高于穩(wěn)壓器的150°C上限。

問題的關鍵是線性穩(wěn)壓器并非萬能組件。用戶不僅應考慮系統(tǒng)的電壓和電流要求, 還應考慮穩(wěn)壓器的功率容量要求。隨著穩(wěn)壓器功耗要求的提高, 可能需要改善散熱和/或降低輸入至輸出的電壓差, 以防止核心結溫在所有預期負載和環(huán)境溫度條件下超過規(guī)定的最高溫度。

如上所述, 可能存在線性穩(wěn)壓器確實不能滿足系統(tǒng)要求并且需要考慮替代方案的情況。最有用的替代方案之一是采用特定封裝形式的開關型DC-DC轉換器, 旨在與典型線性穩(wěn)壓器的TO-220封裝類型相同。Digi-Key將這些轉換器稱為“ 線性穩(wěn)壓器替代品 ”的DC-DC轉換器。

這些器件可使用與典型的78xx型線性穩(wěn)壓器相同的封裝, 并且通常不需要進行任何散熱。它們比線性穩(wěn)壓器更高效（效率通常為80％或更高）, 因為它們不僅可以產(chǎn)生更少的熱量, 而且可以在電池供電型應用中顯著延長電池壽命。

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