线性稳压器的冷却要求


#1

作者:Digi-Key工程师 David Lunsetter

很多电子设计都要求系统的不同部分具有多个电压轨。例如,系统中可能含有由低压电子设备控制的高压电机。在此类系统中,最便捷的方法是使用所需的最高电压为整个系统供电,然后将该电压降低到控制电子设备的低压电轨。

很多人在设计此类系统时所用的首选器件是线性稳压器。线性稳压器的设计概念很简单,通常能无差错地完成任务。但是,在实际应用过程中往往不是这么回事。在概念上讲得通,在原型设计工作台上也能实现,但并不代表在实际操作中一定能行得通。

Digi-Key常常收到购买Digi-Key线性稳压器的客户投诉,他们称自己“收到了坏的线性稳压器”。症状包括:线性稳压器关闭(无输出电压),或者线性稳压器在某些情况下居然出现过热和停机现象。

线性稳压器出现的大多数问题都是因客户不了解线性稳压器的工作方式而造成的。猛降功率产生的热量超出线性稳压器所能消散的热量,从而导致过热。即使使用大型散热器,如果输出电流接近其指定范围的上限并且输入和输出电压之间的差值太大,线性稳压器也可能会过热。

例如,如果所需的输出电压和电流分别为5V和1A,并且可用电源电压为24V,则可以采用问世已久的78xx系列的稳压器,例如MC7805BTG就足以满足要求。毕竟,根据该稳压器的规格,它可以处理最高35V的输入电压,并且能够在稳定状态下以最高1A的电流输出规定的5V电压。

问题在于,只要器件 未超过 最高内部核心温度 (通常称为“最高工作结温”),就只能满足这些个别规格。除非对稳压器主体施加高级别的冷却( 考虑制冷和液体冷却 ),否则通常不可能同时实现稳压器的所有最高规格。要使设计生效,必须满足以下任一要求:

  • 降低负载电流
  • 减小输入和输出之间的电压差
  • 增加散热
  • 结合使用上述几种方法

由于负载电流和电压要求通常是固定不变的,因此在这方面能采取的措施非常有限。有时可以降低输入电压,但此举对内部功耗造成的影响最大。最后,可以添加更大的散热器,或者可以利用风扇进行强制通风,以便更高效地为封装散热。

要确定特定应用所需的散热量,必须考虑稳压器的最高内部核心温度,即终端设备运行时电路板周围的预期最高空气温度(称为“最高环境温度”),以及内部核心和环境空气之间的界面的热阻。

热阻以℃/W表示,器件封装和任何应用的散热器都具有热阻特性。例如,MC7805BTG常用的TO-220外壳的热阻约为5°C /W并且最高结温为150°C。典型的TO-220散热器具有约15°C /W的热阻。这种组合在内部核心和环境空气之间存在20°C /W的组合热阻。

摘自MC7805规格书:

使用先前描述的示例,可以通过查找系统的输入功率和输出功率之间的差值来计算线性稳压器消耗的近似功率水平。请注意,对于线性稳压器,输入电流几乎与输出电流相同(输入电流实际上略高,但就本次讨论而言,这可以忽略不计)。

  • 输入功率:P(in)= V(in)x I(in)= 24V x 1A = 24W
  • 输出功率:P(out)= V(out)x I(out)= 5V x 1A = 5W
  • 稳压器功耗:P(reg)= P(in)- P(out)= 24W - 5W = 19W

那么,核心温度在上述条件下会升至多高?

  • 核心结温 =(外壳热阻 + 散热器热阻)x 内部功耗 =(5°C /W + 15°C /W)x 19W = 高于环境温度 380 °C

image

温度太高了! 即使采用热阻为5°C/W的真正高效的散热器,核心结温也会比环境温度高190°C。如果环境空气温度为25°C,则核心温度为215°C,这远高于稳压器的150°C上限。

问题的关键是线性稳压器并非万能组件。用户不仅应考虑系统的电压和电流要求,还应考虑稳压器的功率容量要求。随着稳压器功耗要求的提高,可能需要改善散热和/或降低输入至输出的电压差,以防止核心结温在所有预期负载和环境温度条件下超过规定的最高温度。

如上所述,可能存在线性稳压器确实不能满足系统要求并且需要考虑替代方案的情况。最有用的替代方案之一是采用特定封装形式的开关型直流-直流转换器,旨在用于与典型的TO-220封装类型的线性稳压器相同的封装。Digi-Key将这些转换器称为“ 线性稳压器替代品 ”的直流-直流转换器。

image

这些器件可使用与典型的78xx型线性稳压器相同的封装,并且通常不需要进行任何散热。它们比线性稳压器更高效(效率通常为80%或更高),因为它们不仅可以产生更少的热量,而且可以在电池供电型应用中显著延长电池寿命。

英文原文链接:Cooling Requirements for Linear Voltage Regulator