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直流稳压器DC Regulator使用时的注意事项

浏览次数:19 发布时间: 2013-04-30 文章来自:
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 直流稳压器DC Regulator使用时的注意事项

直流稳压器应该是现代电子工程师最常用,也可能是首次熟悉的IC电子元件,尤其现有功能电路走向晶片系统整体化,只有供电电源的分配与稳压器选用,属于电路设计人员的管理责任。(当然另外就是EMCESD的保护处理)很多新手认为它是一个简单的元件,不过就是这么直流电一进一出而已,不曾想到在现代晶片所需的低电压高电流工作环境下,不当的电路设计对于产品信赖度的影响。这一篇文章是希望从规格的介绍上给新手们提供一些帮助。

 

记得早期的直流稳压电路,也就是用NPN三极管搭配一个然纳二极管的基本电路。后来然纳二极管被TL431取代,因为它可以用外加电阻的分压,产生所需的标准参考电压。再来就是第一代的三只脚78系列标准型稳压IC(78L/N/MD/T),第二代的1117系列低压降稳压LDO-IC(LD1117或是UR133),第三代的CMOS低待机耗电稳压ICL1183)。初学者应该要先了解这三者IC的主要规格选用差异,如最高输入端电压,输入输出间的电压降,待机静态耗电等共三项。(78系列以78D05参考)

最高输入端电压:78系列为30VLD111718VUR13312VL11838V

输入输出间电压降:78系列为2.0VLD11171.3VUR1331.5VL11830.4V

待机静态耗电:78系列为8mALD111710mAUR1335mAL118350uA

从以上数据来看,像是车用电源的高输入电压需选择78系列或LD1117,而需要长期电池待机者需选择L1183,一般9V/6V供电者可使用UR133

 

再来就要考虑所需要输出的电压与电流量。若是输出电压需要高于5V,那就只有选择78系列ICLD1117的标准电压范围较广,可从1.2V5VUR133L1183则只能在3.3V以下。至于最大输出电流量的规格,78系列依照其标准代号分别为L-100mAN-300mAMD-500mAT-1A。一般常用的LD1117800mALD1117A1AUR133300mAUR133A500mA。根据这些规格差异,应该很容易选出适合的稳压器编号。

 

现在要考虑最重要的消耗功率问题,我觉得这也是一般新手最弱的一环,甚至还有新手问我,规格书上写明最大电流500mA,本身还有限流装置,为何还会烧毁IC。其实稳压IC的编号差异代表它的电气规格,然而那是它内部晶片(Dice)的电气特性,内部晶片的限流装置能保护不致因短路而损坏。至于它的外包装(Packaging)才是它的消耗功率特性,也就是不同的包装所能够承受的,因消耗功率而产生的温度不同。在消耗功率使得晶片温度高于结合点容许温度时,就会使得稳压器IC烧毁。

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规格书内的输入输出电压降(Dropout Voltage)最大数值,必须低于实际电路的两端电压降,否则无法稳压动作。然而如果两端电压降过大,也就表示稳压IC会产生较大的功率损耗,也因而使其本体温度升高。在确定输入与输出间的电压差,以及最大的输出电流供应量,两者的相乘积就是稳压IC本体的功率损耗,这些损耗将完全转化为热能,使本体加温。而稳压IC因其包装材料的差异,影响其散热能力。这里要注意三个关联数据:

接合点最大容许温度(Junction Temperature)用以设定内部半导体不致损坏的最高温度。

接合点至外壳热传导系数(Junction to Case)用以计算内部半导体与包装外壳的温度差距。

接合点至环境热传导系数(Junction to Ambient) 用以计算内部半导体与外部空气的温度差距。

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现在假设是稳压器LD1117-3.3V,而输入端是5V电压,供应后级最大电流量300mA

稳压IC上的功率损耗为 (5-3.3)*0.3=0.51 W

SOT-89的包装计算:180*0.51=9250*0.51=25.5

当环境温度为40C时,接合点温度为40+92=132C,稳压器外壳温度为132-25.5=107.5C

虽然看来接合点温度低于150C,不至于造成IC损毁,但是稳压器外壳温度过高。

即使在常温25C工作下,稳压器外壳温度仍有92.5C。(亦即温升67.5C

换句话说,如果希望常温下电子元件的温升要低于60C,则需改用散热包装较好的。

SOP-8的包装计算,温升为(150-20)*0.51=66C。似乎差异不大。

TO-252的包装计算,温升为(112-12)*0.51=51C。应该可以合乎需求了。

SOT-89SOP-8比较,虽然温升几乎没有差距,但是前者接合点至环境热传导系数较高,也就表示在同样功率消耗下,其内部接合点温度较高,当然在信赖度上略逊一筹,因而较高档产品的稳压IC包装多使用SOP-8型。(半导体信赖度与其接合点温度相关)

上述的计算方法应该也能予以活用,以环境温度或元件温升需求,换算回消耗功率,从而考量输出入电压降与供应电流量的调整。

 

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稳压器电路并非是一成不变的,规格书的电路介绍部份,也有可以由输出端以两个电阻分压回授至接地端,以微量抬高输出电压的方式。(与电压可调型相同,但须增加对地电容器)如果输入端电压较高,为了减低稳压IC的消耗功率负担,也有在输入端串接电阻降压,但是必须计算好电阻的阻值与功率负担。比较少见的是在稳压器两端跨接电阻,让部份电流由此通过,同样可以减低稳压IC的消耗功率负担,而依然能维持稳压状态。(当然是有条件使用的)

 

最后还要提到一项最容易被忽视的规格,也就是最低供电量的问题。要特别注意规格书里,在输出电压项目内所记载的电流范围,参考LD1117-1.2V规格10-800mA。在输出端的供电如果因为负载电流量过小,有可能会产生无法稳压的情况,这就如同一般然纳二极管,也需要在某个电流范围才能产生固定电压,当电流量过低时,也是会有电压上的差异。在低压输出的稳压器还会出现一个最低负载量的规格,参考LD1117-1.2V规格Minimum Load 2mA。现代的功能晶片往往需要有多组电压,而由于MCU晶片的CMOS结构,某组电压有可能只需要很低的供电量,这时候就会造成稳压器IC的输出电压异常,甚至可能由晶片其它组电压逆向串出,这时候就必须在稳压器输出端接上负载电阻,以消耗应有的最低供电量。

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