發布日期：2022-04-20 點擊率：28
幾十年來，設計人員在電子應用中使用線性穩壓器，因為它們簡單且成本低。對于完整的降壓電源，我們只需要一個輸入和輸出電容器以及一個線性穩壓器，與開關穩壓器相比，它的設計要簡單得多，噪聲也更低。在輸入電壓 (V IN ) 接近輸出電壓 (V OUT ) 的應用中，其效率也很高。由于這些優勢，我們仍然會發現線性穩壓器在低功耗系統中用作穩壓器。
在市場上可用的線性穩壓器中，UA7805 系列非常受歡迎——它具有固定的輸出電壓，通常采用標準的三引腳晶體管外形 (TO)-220 封裝（圖 1）。三個引腳是 V IN、V OUT和 GND。一個很好的例子是 UA7805，它具有固定的 5V 輸出并受益于我上面列出的優點。UA7805在輸入電壓較高的應用中確實有一個明顯的缺點：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。內部金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET) 主要在其飽和區工作，同時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 轉化為熱量，通過外殼和空氣散發。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。如果考慮到從結到外殼的熱阻，內部芯片溫度甚至更高。TO-220 封裝的 UA7805 支持高達 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 電源總線應用，降壓開關穩壓器更適合，因為它們具有更好的效率和熱性能。內部功率 MOSFET 將在其線性區域內工作；只有傳導和開關損耗會影響器件的功耗。在相同的工作條件下，降壓穩壓器的總損耗遠小于線性穩壓器。因此，如果可以將 TO-220 封裝的 UA7805 升級為更高效率的降壓穩壓器，則可以大大提高系統的整體能效。
如果我們選擇開關降壓穩壓器來代替 UA7805，將會面臨幾個挑戰：
· 更多的設計復雜性。設計降壓穩壓器需要選擇濾波器電感器和電容器等元件。調整控制回路還需要強大的電源和控制背景。
· 更高的物料清單 (BOM) 計數。大多數降壓穩壓器集成電路 (IC) 要么是控制器，要么是集成轉換器。我們將需要功率 FET、電感器和電容器。
· 新的印刷電路板 (PCB) 布局設計。大多數開關降壓穩壓器 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。由于開關速度快，開關穩壓器會導致噪聲和 EMI 問題。
為應對這些挑戰，TI 發布了新的降壓電源模塊系列 – TPSM84203/05/12 – 與 TPS54302 DC/DC 轉換器 IC 一起開發。該系列包括三個器件（TPSM84203、TPSM84205 和 TPSM84212），能夠從 24V 電源（最大 28V）提供高達 1.5A 的電流，并分別提供 3.3V、5V 和 12V 的固定輸出電壓。
穩壓IC、電感、輸入旁路電容和啟動電容都集成在一個模塊中。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 的一個不錯的特性是其輕負載效率模式即使在低電流下也能保持高效率，即使在系統處于待機狀態時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 相同的擴頻特性，以減少由開關穩壓器引起的 EMI。使用適當的外部輸入濾波器，TPSM84203/05/12 將輕松通過歐洲標準 (EN) 55022 B 類 EMI 測試。圖 5 是 TPSM84205 的 EN55022 B 類傳導發射測量圖。
圖 5：傳導發射測量：V IN = 24V，V OUT = 5V 和 I OUT = 1.5A
用 TPSM84203/05/12 系列替換 UA7805 型穩壓器有很多好處——通過使用具有相同 BOM 數的引腳兼容解決方案，整體效率將顯著提高，而擴頻設計確保解決方案有助于滿足 EMI 要求。
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