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2016年3月30日DC / DC

效率和熱計算

线性稳压器的基础

现在说明线性稳压器之效率和热计算。如前述,这是使用线性稳压器所必须检讨的事项。

线性稳压器的效率

图24

图24

效率的定义为变换输出功率对所投入功率之比,通常以%显示。此在开关稳压器方面亦同。以下公式中,输入电流我所含之我CC。为IC本身之消耗电流但,由于此为小値,故负载电流大时可以忽视。此时,由于可以使输入与输出之电流相同,故只要纯粹以输入电压除输出电压便可以计算。
图24例中,5V变换成3.3V的效率为64%。近来开关稳压器的效率在80%〜90%以上,因此64%的可以说是极低。

我們試著在此將圖24例題之輸入電壓5 v變更為3.6 v看看.5V可以想成是系統電壓,而3.6 v則是鋰二次電池的電壓。

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圖25:損失功率

圖25:損失功率

在此条件下的效率居然有89%。也就是说,即使是线性稳压器,若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式稳压器的高效率。首先,看图25便一目了然,若V接近电压降V退出的话,损失功率会减少,效率会变高。

若是这样的条件,则LDO的贡献度就变得非常高。此条件下,由于输出入差为0.3V,线性稳压器的选择为LDO,而且是电压降为0.3V以下之LDO标准。型线性稳压器無法因應此條件,如果硬要使用標準型的話,輸入電壓必須在6.3V以上(電壓降設為3V),而且無法處理最初的5V輸入條件。此外,效率也會降為52%。反之,從12V製作5V時,不管是LDO或是標準型,效率或損失都不會改變。

线性稳压器的效率仰赖输出入电压差。对于可以将输出电压差降到多小,虽然电压降有关系,不过与效率没有直接关系可以从公式中电压降一项清楚得知,此点请勿混淆。

重点:

・效率是功率轉換效率的意思,線性穩壓器和開關穩壓器的思考方式皆同。

·线性稳压器若汇整条件的话,亦可获得与开关稳压器相同之效率。

·图25:如何将损失功率降至最少,是线性稳压器效率提升的关键。

线性稳压器的热计算

热计算需要损失功率,封装(封装)之热阻抗,以及周围温度等资讯。损失功率与效率计算的计算方法相同,纯粹为输出入电压差和输入电流相乘之値。热阻抗应该有记载数据表,没有时则有必要询问厂商。基本上使用晶片(接合面结)和周围(环境)间的热阻抗,θJA。尽管有些IC可提供到外壳的热阻抗θJC,然而还是得求到θJA为止的热阻抗。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,须进行实测来。

图26

图26

想法如下,可以根據損失功率和熱阻抗求IC晶片的發熱後再加入周圍溫度後求晶片的溫度,確認已計算之Tj(晶片溫度)是否沒有Tjmax(晶片溫度的最大額定)。如果已超過Tjmax時須變更任一條件。前項業已說明,並非全部皆能如規格般使用,依輸出入電壓,輸出電流,周圍溫度而受到限制。
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)来做为处理方式。此时,接受功率供给之装置(器件)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。另外虽然还有在线性稳压器安装散热片来降低热阻抗及减低发的方法,不过散热片的成本和尺寸想必是很大的检讨事项。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。

线性调节器和开关调节器的基本资料