使用引腳兼容的降壓電源模塊升級我們的 TO-220 線性穩(wěn)壓器

幾十年來，設(shè)計(jì)人員在電子應(yīng)用中使用線性穩(wěn)壓器，因?yàn)樗鼈兒唵吻页杀镜汀τ谕暾慕祲?a href="/tags/電源" target="_blank">電源，我們只需要一個(gè)輸入和輸出電容器以及一個(gè)線性穩(wěn)壓器，與開關(guān)穩(wěn)壓器相比，它的設(shè)計(jì)要簡單得多，噪聲也更低。在輸入電壓 (V IN ) 接近輸出電壓 (V OUT ) 的應(yīng)用中，其效率也很高。由于這些優(yōu)勢，我們仍然會發(fā)現(xiàn)線性穩(wěn)壓器在低功耗系統(tǒng)中用作穩(wěn)壓器。

在市場上可用的線性穩(wěn)壓器中，UA7805 系列非常受歡迎——它具有固定的輸出電壓，通常采用標(biāo)準(zhǔn)的三引腳晶體管外形 (TO)-220 封裝（圖 1）。三個(gè)引腳是 V IN、V OUT和 GND。一個(gè)很好的例子是 UA7805，它具有固定的 5V 輸出并受益于我上面列出的優(yōu)點(diǎn)。UA7805在輸入電壓較高的應(yīng)用中確實(shí)有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)：功耗大。

圖 1：3 引腳 TO-220 封裝 

在工作期間，輸出電流等于輸入電流。內(nèi)部金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 主要在其飽和區(qū)工作，同時(shí)管理輸入和輸出電壓之間的壓降。UA7805的功率損耗為(V IN -V OUT )*I OUT，對于12V的輸入電壓和5V的輸出電壓，只有200mA的輸出電流代表1.4W的功率損耗( (12V-5V)*0.2A ）。

1.4W 轉(zhuǎn)化為熱量，通過外殼和空氣散發(fā)。圖 1 是 UA7805 在 12V 至 5V、200mA 輸出電流下的外殼溫度。如果沒有散熱片，外殼溫度可能會上升到 103.1 ° C。如果考慮到從結(jié)到外殼的熱阻，內(nèi)部芯片溫度甚至更高。TO-220 封裝的 UA7805 支持高達(dá) 1.5A 的輸出電流，但在 12V 至 5V 條件下，UA7805 必須顯著限制其輸出電流。對于更高的輸入電壓（例如流行的 24V 電源），該線性穩(wěn)壓器會因散熱問題而無法使用。圖 2 是 UA7805 的外殼溫度。

圖 2：UA7805 在 12V 至 5V/200mA 下的外殼溫度

對于 12V 和 24V 電源總線應(yīng)用，降壓開關(guān)穩(wěn)壓器更適合，因?yàn)樗鼈兙哂懈玫男屎蜔嵝阅堋?nèi)部功率 MOSFET 將在其線性區(qū)域內(nèi)工作；只有傳導(dǎo)和開關(guān)損耗會影響器件的功耗。在相同的工作條件下，降壓穩(wěn)壓器的總損耗遠(yuǎn)小于線性穩(wěn)壓器。因此，如果可以將 TO-220 封裝的 UA7805 升級為更高效率的降壓穩(wěn)壓器，則可以大大提高系統(tǒng)的整體能效。

如果我們選擇開關(guān)降壓穩(wěn)壓器來代替 UA7805，將會面臨幾個(gè)挑戰(zhàn)：

· 更多的設(shè)計(jì)復(fù)雜性。設(shè)計(jì)降壓穩(wěn)壓器需要選擇濾波器電感器和電容器等元件。調(diào)整控制回路還需要強(qiáng)大的電源和控制背景。

· 更高的物料清單 (BOM) 計(jì)數(shù)。大多數(shù)降壓穩(wěn)壓器集成電路 (IC) 要么是控制器，要么是集成轉(zhuǎn)換器。我們將需要功率 FET、電感器和電容器。

· 新的印刷電路板 (PCB) 布局設(shè)計(jì)。大多數(shù)開關(guān)降壓穩(wěn)壓器 IC 都是表面貼裝的，我們需要重新布線 PCB 布局以更換 UA7805。

· 可能的電磁干擾 (EMI) 問題。由于開關(guān)速度快，開關(guān)穩(wěn)壓器會導(dǎo)致噪聲和 EMI 問題。

為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，TI 發(fā)布了新的降壓電源模塊系列 – TPSM84203/05/12 – 與 TPS54302 DC/DC 轉(zhuǎn)換器 IC 一起開發(fā)。該系列包括三個(gè)器件（TPSM84203、TPSM84205 和 TPSM84212），能夠從 24V 電源（最大 28V）提供高達(dá) 1.5A 的電流，并分別提供 3.3V、5V 和 12V 的固定輸出電壓。

穩(wěn)壓IC、電感、輸入旁路電容和啟動電容都集成在一個(gè)模塊中。與UA7805一樣，除了輸入輸出電容外，無需其他元件選擇。三引腳（V IN、V OUT、GND）TO-220 封裝提供與 UA7805 的引腳對引腳兼容性，因此無需任何電路板更改即可顯著提高效率。圖 3 顯示了 TPSM84203/05/12 的 TO-220 封裝內(nèi)部。

圖 3：TPSM84205 和 UA7805 的相同 TO-220 封裝

圖 3 比較了 TPSM84205 和 UA7805 的效率和功率損耗。TPSM84205 的一個(gè)不錯的特性是其輕負(fù)載效率模式即使在低電流下也能保持高效率，即使在系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)也有助于最大限度地降低功耗。圖 4 清楚地顯示了通過使用引腳兼容的 TPSM84205 而不是 UA7805，12V輸入、5V輸出系統(tǒng)的效率提高了50% 以上。

圖 4：TPSM84205 和 UA7805 的效率和功耗比較

TPSM84203/05/12 具有與 TPS54302 相同的擴(kuò)頻特性，以減少由開關(guān)穩(wěn)壓器引起的 EMI。使用適當(dāng)?shù)耐獠枯斎霝V波器，TPSM84203/05/12 將輕松通過歐洲標(biāo)準(zhǔn) (EN) 55022 B 類 EMI 測試。圖 5 是 TPSM84205 的 EN55022 B 類傳導(dǎo)發(fā)射測量圖。

圖 5：傳導(dǎo)發(fā)射測量：V IN = 24V，V OUT = 5V 和 I OUT = 1.5A

用 TPSM84203/05/12 系列替換 UA7805 型穩(wěn)壓器有很多好處——通過使用具有相同 BOM 數(shù)的引腳兼容解決方案，整體效率將顯著提高，而擴(kuò)頻設(shè)計(jì)確保解決方案有助于滿足 EMI 要求。