淺談高壓線(xiàn)性穩(wěn)壓器的局限及其解決辦法

上期文章介紹了一款輸入電壓可達(dá) 80V 的線(xiàn)性穩(wěn)壓器 RT9072，它的負(fù)載能力為 20mA，輸出電壓可在1.25V~60V 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。如果你的輸入電壓是 60V，負(fù)載需要 3.3V 電壓，其電流消耗恰好是 20mA，可不可以選擇 RT9072 來(lái)完成這一任務(wù)呢？

讓我們先來(lái)計(jì)算一下這個(gè)應(yīng)用將會(huì)落在線(xiàn)性穩(wěn)壓器上的功耗

上面這個(gè)計(jì)算結(jié)果的單位是 W，即 60V 的輸入經(jīng)過(guò) RT9072 生成 3.3V 輸出，假如負(fù)載電流為 20mA，將會(huì)有 1.134W 的功耗落在 RT9072 上，這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了 RT9072 的承載能力，因?yàn)樗姆庋b是SOT-23-5，規(guī)格書(shū)給出它在 25℃ 環(huán)境溫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斷：RT9072 不能滿(mǎn)足這一應(yīng)用的需求。

上面的計(jì)算是按照負(fù)載電流持續(xù)存在的情況來(lái)進(jìn)行的，但實(shí)際上所謂的功耗是一個(gè)即時(shí)的量，它在器件內(nèi)部的作用是轉(zhuǎn)化為熱。熱一旦生成就會(huì)使承載它的物質(zhì)的溫度升高，并且同時(shí)開(kāi)始向其周?chē)鷾囟容^低的部分傳導(dǎo)，傳導(dǎo)的過(guò)程會(huì)受到一定的阻力，這個(gè)特性被稱(chēng)為熱阻，而不同物質(zhì)的熱阻是不同的。

RT9072 所用封裝從其內(nèi)部的發(fā)熱點(diǎn)到周?chē)h(huán)境之間的總熱阻為 218.1℃/W，這表示 RT9072 要向周?chē)h(huán)境傳遞 1W 的功耗時(shí)，從發(fā)熱點(diǎn)到周?chē)h(huán)境之間的溫度差會(huì)達(dá)到 218.1℃，假如環(huán)境溫度是 25℃，而 RT9072 要以 1W 的功耗向外傳遞熱量，它的內(nèi)部結(jié)溫就會(huì)高達(dá) 218.1℃ + 25℃= 243.1℃，這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了 RT9072 的溫度承受能力。

實(shí)際上，RT9072 能夠耐受的最高結(jié)溫為150℃，當(dāng)超過(guò)這一溫度時(shí)就會(huì)發(fā)生過(guò)熱保護(hù)，而為了確保安全，它的 0.45W 的最大功率耗散能力是假設(shè)在 25℃ 的環(huán)境溫度下容許的最高結(jié)溫為 125℃ 的條件計(jì)算出來(lái)的，不是實(shí)際測(cè)量的結(jié)果，而且隨著環(huán)境溫度的變化，這一指標(biāo)還要有相應(yīng)的折扣，其限制如下圖所示：

所有的這些數(shù)據(jù)及其限制都是在符合 JEDEC51-7 標(biāo)準(zhǔn)的 4 層 PCB 板上進(jìn)行測(cè)量獲得的，我們?cè)趯?shí)際的應(yīng)用中可以通過(guò)加大 PCB 銅箔面積、增加導(dǎo)熱孔、使用導(dǎo)熱材料、增加空氣流動(dòng)性等方法來(lái)進(jìn)行改善。

再回到我們開(kāi)始時(shí)提到的負(fù)載參數(shù)，如果20mA 的負(fù)載只是偶爾出現(xiàn)，例如在每 1 秒鐘的時(shí)間里只有 10ms 出現(xiàn)，其他的 990ms 都是處于靜默狀態(tài)，例如就只有 100μA，那么這時(shí)候的平均功耗就變成

這個(gè)結(jié)果就遠(yuǎn)小于 0.45W 了，RT9072 完全可以承受，你完全不用擔(dān)心它會(huì)有過(guò)熱的問(wèn)題發(fā)生。

對(duì)于線(xiàn)性穩(wěn)壓器的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，你必須隨時(shí)把功耗問(wèn)題當(dāng)作一個(gè)重點(diǎn)來(lái)考慮，每一次選型都要進(jìn)行功耗計(jì)算，絕對(duì)不能讓它有發(fā)生過(guò)熱保護(hù)的情況，這樣才能確保系統(tǒng)能夠正常運(yùn)作。

當(dāng)僅僅用線(xiàn)性穩(wěn)壓器不能滿(mǎn)足應(yīng)用需求時(shí)該怎么辦呢？

一種做法是用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器來(lái)代替線(xiàn)性穩(wěn)壓器，例如下述電路就可以滿(mǎn)足 60V 轉(zhuǎn) 3.3V20mA 的需求，甚至更大的電流也可以：

其中所用的 RT6210 是最高輸入電壓可達(dá) 80V 的 Buck 轉(zhuǎn)換器，負(fù)載能力可達(dá) 500mA，它的規(guī)格書(shū)列出了它在多種輸出條件下的元件選擇指引：

使用 Buck 電路會(huì)比線(xiàn)性穩(wěn)壓器復(fù)雜許多，但這是必要的付出，我們只能根據(jù)實(shí)際的情況來(lái)做出選擇。

使用開(kāi)關(guān)模式工作的穩(wěn)壓器會(huì)帶來(lái)紋波較大的問(wèn)題，有的應(yīng)用可能不能接受，這時(shí)需要將方案作進(jìn)一步的改進(jìn)，Buck 加線(xiàn)性穩(wěn)壓器的做法可能就是一種比較好的選擇，只是這時(shí)候就可能不需要選擇像 RT9072 這樣能夠耐受那么高電壓的器件了，很多低耐壓的器件可以滿(mǎn)足你的需求，同等負(fù)載能力下的低壓器件的成本通常也會(huì)低一些，我們可以做出最具成本效益的方案來(lái)。

有的場(chǎng)合完全不能接受開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器帶來(lái)的開(kāi)關(guān)噪聲，這時(shí)候可能就需要我們?cè)诰€(xiàn)性穩(wěn)壓的道路上繼續(xù)走下去，具有更高功率耗散能力的方案就要被拿出來(lái)使用，我們展示過(guò)的 RT9072 擴(kuò)流方案就可以是一種選擇。

各種不同的應(yīng)用方案都是因?yàn)橐鉀Q現(xiàn)實(shí)中的問(wèn)題而產(chǎn)生的，本文的寫(xiě)作也是因?yàn)橛凶x者的留言才得以入手，文中提及的所有參數(shù)都來(lái)自于讀者，因此我要對(duì)此表達(dá)感謝，沒(méi)有你們的支持，我可能連想法都不會(huì)產(chǎn)生，所以我想說(shuō)“有你真好”，讓我們一起走得更好！

編輯：jq