如何為你的高性能系統挑選合適的低壓降穩壓器
大部分系統設計工程師可能都會同意線性穩壓器是眾多穩壓器之中最容易使用的一種,而且由于這個原因,也最受系統設計工程師歡迎。但新一代的系統要求極為嚴格,因此只采用線性穩壓技術的高性能系統會受到較多的制約,以致很難充分發揮其性能。這個發展趨勢帶出以下幾個問題:系統設計工程師構思新產品時可以獲得哪一方面的技術支持?采用線性穩壓技術的直流/直流功率轉換系統有什么優缺點?是否比采用其他線路布局的功率轉換系統優勝?技術上又有什么局限?若以同一應用作比較,哪一類的低壓降穩壓器有較高的效率?不同廠商的線性穩壓器是否有高下優劣之別?
看起來這些問題好像非常簡單,其實問題的答案比我們想象復雜,因為需要考慮的重要因素及技術參數非常多,加上有關因素的重要性經常被人忽略,因此系統設計工程師做出取舍時必須小心謹慎。由于新產品的供電要求越趨嚴格,電路板的面積也不斷縮小,加上系統必須保證能發揮最基本的性能,因此我們必須為新產品挑選合適的低壓降穩壓器。好的低壓降穩壓器可以解決很多應用上的問題;若穩壓器的選擇不當,整個設計根本就無法落實執行。
散熱、效率及封裝
線性穩壓器的輸入功率并非完全能從輸出端口輸出,兩者的相差都會轉為熱能耗散掉。功率耗散 (Pd) 可以根據以下的公式粗略估算:
Pd = (Vin – Vout) * Iout
若要更精確計算功率耗散,我們必須將 Vin * Iq 這個變項計算在內。功率耗散總額可以根據以下公式計算出來:
Pd = (Vin – Vout) * Iout + Vin * Iq
若按照上述兩條公式,再將 5 伏 (V) 電壓調低至 1.5 伏 (靜態電流為 300mA),那么線性穩壓器耗散為熱能的功率不會少于:
(5 – 1.5) * 0.35 = 1.225W
究竟這個功耗量應視為高還是低呢?有關這個問題我們不可過早做出判斷,我們必須根據芯片封裝以及電路板的類型與面積 (若采用表面貼裝封裝),找出這些變項與溫度上升幅度之間的函數關系,從而計算 1.225W 的功率耗散究竟會令溫度上升多少。這樣我們才可作出一個較為全面的判斷,確定 1.225W 的功率耗散是高還是低。系統設計工程師一般都喜歡采用最小巧的封裝,但這類封裝的熱阻值非常高,因此散熱能力也最差。
標準 SOT-23 及 SC-70 等小巧封裝的 qJA 值介于 200度/W 與 400度/W 之間。體積不大不小的 SOT-223、TO-252 (DPAK) 及其它無掩蔽焊球 SMD 封裝 (包括 PSOP 及 ETSSOP) 的 qJA 值則介于 50度/W 與 90度/W 之間。一般來說,只有較大的封裝 (例如 TO-220 及 TO-263) 才有較理想的 qJA 值,其數值介于 40度/W 與 60度/W 之間。大致上,這是封裝大小與溫度上升幅度之間的變化規律,適用于除 LLP之外的所有封裝。由于 LLP封裝的內部結構較為特別,例如晶片以面向上、底朝下的方式置于金屬面,而金屬面則設于封裝底部,并無任何掩蔽,因此這種超小型封裝的熱阻極低,甚至可媲美較大的封裝,是目前唯一一種熱阻值這樣低的超小型封裝。
上述數字對系統溫度有什么影響?若功率耗散為 Pd = 1.225W,理論上 2.85mm x 3mm 的 SOT-23 封裝的溫度至少會上升 300度。6.6mm x 9.7mm 的 DPAK 封裝的受熱溫度會比環境溫度高 80度,只有 10.4mm x 14.35mm 的 TO-263 封裝或 2.9mm x 3.3mm 的 LLP 封裝才有較小的溫度升幅 (50度)。系統設計工程師若懂得如何選擇合適的線性穩壓器封裝,便可大致知道是否需要改用開關穩壓器。
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