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高压线性稳压器的局限及其解决办法
发布时间:2021-09-14
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高压线性稳压器的局限及其解决办法
发布时间:2021-09-14
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上期文章介绍了一款输入电压可达 80V 的线性稳压器 RT9072,它的负载能力为 20mA,输出电压可在1.25V~60V 范围内调节。如果你的输入电压是 60V,负载需要 3.3V 电压,其电流消耗恰好是 20mA,可不可以选择 RT9072 来完成这一任务呢?

让我们先来计算一下这个应用将会落在线性稳压器上的功耗

上面这个计算结果的单位是 W,即 60V 的输入经过 RT9072 生成 3.3V 输出,假如负载电流为 20mA,将会有 1.134W 的功耗落在 RT9072 上,这已经远远超出了 RT9072 的承载能力,因为它的封装是SOT-23-5,规格书给出它在 25℃ 环境温度下的最大功率耗散能力是 0.45W,所以可以非常容易地得出判断:RT9072 不能满足这一应用的需求。

上面的计算是按照负载电流持续存在的情况来进行的,但实际上所谓的功耗是一个即时的量,它在器件内部的作用是转化为热。热一旦生成就会使承载它的物质的温度升高,并且同时开始向其周围温度较低的部分传导,传导的过程会受到一定的阻力,这个特性被称为热阻,而不同物质的热阻是不同的。RT9072 所用封装从其内部的发热点到周围环境之间的总热阻为 218.1℃/W,这表示 RT9072 要向周围环境传递 1W 的功耗时,从发热点到周围环境之间的温度差会达到 218.1℃,假如环境温度是 25℃,而 RT9072 要以 1W 的功耗向外传递热量,它的内部结温就会高达 218.1℃ + 25℃= 243.1℃,这已经远远超过了 RT9072 的温度承受能力。实际上,RT9072 能够耐受的最高结温为150℃,当超过这一温度时就会发生过热保护,而为了确保安全,它的 0.45W 的最大功率耗散能力是假设在 25℃ 的环境温度下容许的最高结温为 125℃ 的条件计算出来的,不是实际测量的结果,而且随着环境温度的变化,这一指标还要有相应的折扣,其限制如下图所示:

所有的这些数据及其限制都是在符合 JEDEC51-7 标准的 4 层 PCB 板上进行测量获得的,我们在实际的应用中可以通过加大 PCB 铜箔面积、增加导热孔、使用导热材料、增加空气流动性等方法来进行改善。

再回到我们开始时提到的负载参数,如果20mA 的负载只是偶尔出现,例如在每 1 秒钟的时间里只有 10ms 出现,其他的 990ms 都是处于静默状态,例如就只有 100µA,那么这时候的平均功耗就变成

这个结果就远小于 0.45W 了,RT9072 完全可以承受,你完全不用担心它会有过热的问题发生。

对于线性稳压器的应用来说,你必须随时把功耗问题当作一个重点来考虑,每一次选型都要进行功耗计算,绝对不能让它有发生过热保护的情况,这样才能确保系统能够正常运作。

当仅仅用线性稳压器不能满足应用需求时该怎么办呢?

一种做法是用开关稳压器来代替线性稳压器,例如下述电路就可以满足 60V 转 3.3V20mA 的需求,甚至更大的电流也可以:

其中所用的 RT6210 是最高输入电压可达 80V 的 Buck 转换器,负载能力可达 500mA,它的规格书列出了它在多种输出条件下的元件选择指引:

使用 Buck 电路会比线性稳压器复杂许多,但这是必要的付出,我们只能根据实际的情况来做出选择。

使用开关模式工作的稳压器会带来纹波较大的问题,有的应用可能不能接受,这时需要将方案作进一步的改进,Buck 加线性稳压器的做法可能就是一种比较好的选择,只是这时候就可能不需要选择像 RT9072 这样能够耐受那么高电压的器件了,很多低耐压的器件可以满足你的需求,同等负载能力下的低压器件的成本通常也会低一些,我们可以做出最具成本效益的方案来。

有的场合完全不能接受开关稳压器带来的开关噪声,这时候可能就需要我们在线性稳压的道路上继续走下去,具有更高功率耗散能力的方案就要被拿出来使用,我们展示过的 RT9072 扩流方案就可以是一种选择。

各种不同的应用方案都是因为要解决现实中的问题而产生的,本文的写作也是因为有读者的留言才得以入手,文中提及的所有参数都来自于读者,因此我要对此表达感谢,没有你们的支持,我可能连想法都不会产生,所以我想说“有你真好”,让我们一起走得更好!

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