LDO-Wirkungsgrad: Testen Sie die Grenzen Ihres Spannungsreglers

Zachariah Peterson
|  Erstellt: September 19, 2021
LDO-Wirkungsgrad

Wenn Sie eine Leiterplatte entwerfen, die nicht mit einem Bench-Top-regulierten Netzteil betrieben werden soll, benötigen Sie einen Spannungsregler. Wie bei jedem anderen Bauteil finden Sie die Betriebsspezifikationen für den Regler in der Produktübersicht und noch detailliertere Spezifikationen in dem dazugehörigen Datenblatt. Die kleinen Details in den Datenblättern übersieht man schnell, aber sie bestimmen maßgeblich, wie die Komponente mit dem Rest Ihres Systems interagiert.

Low-Dropout-Spannungsregler (LDOs) lassen sich einfach platzieren und verwenden. Sie sind im wahrsten Sinne des Wortes „Plug & Play“ und die einfachsten LDOs mit festem Ausgang benötigen 3 Anschlüsse und einige externe Widerstände, um ordnungsgemäß zu funktionieren. Der Wirkungsgrad von LDOs kann nicht exakt garantiert werden, aber der Wert hängt mit der Stromgrenze zusammen, auf die Ihre Platine während des Betriebs zugreifen kann. Bevor Sie einen Hochspannungseingang mit einem LDO verdrahten, sollten Sie die Anleitung in diesem Artikel lesen, um sicherzustellen, dass Sie genügend Strom bereitstellen können.

Was bestimmt den LDO-Wirkungsgrad?

LDOs sind einfach und funktionieren nach demselben Prinzip: Die Komponente regelt eine Eingangsspannung auf die gewünschte Ausgangsspannung herunter, und die überschüssige elektrische Energie wird als Wärme abgeleitet. LDOs können extern mit einem Spannungsteiler eingestellt werden und Sie benötigen einige Eingangs-/Ausgangskappen zur zusätzlichen Filterung. Für jeden LDO gibt es eine einfache Gleichung, die den Wirkungsgrad bestimmt:

LDO-Wirkungsgrad
Der LDO-Wirkungsgrad wird mit dieser Gleichung bestimmt.

Wenn die Eingangsspannung nah an der Ausgangsspannung liegt, beträgt der Wirkungsgrad nahezu 100 %. Beachten Sie, dass diese Gleichung nur gilt, wenn die Spannungsdifferenz (Ausgang - Eingang) über dem Dropout-Spannungsniveau liegt (typischerweise weniger als 1 V bei niedrigem Strom und bis zu 1,5 V bei hohem Strom). Solange dies der Fall ist, regelt der LDO die Eingangsspannung ordnungsgemäß, um einen rauscharmen Ausgang mit geringer Restwelligkeit zu erzeugen. Die einfachsten LDOs geben einen festen Wert aus, oder die Ausgangsspannung kann bei Bedarf mit externen Widerständen angepasst werden. Da die Ausgangsspannung auf einen bestimmten Wert festgelegt ist, führt eine Erhöhung der Eingangsspannung nicht zu einer Erhöhung der Ausgangsspannung und der Wirkungsgrad sinkt.

Was ist das Problem bei den oben genannten Punkten? Wo verschlechtert sich der Wirkungsgrad plötzlich? Um dies zu erkennen, müssen wir uns die Ausgangsspannung und den Strom ansehen. Bei einer hohen Eingangsspannungsdifferenz kommt es zu einem Abfall des Wirkungsgrads und der Ausgangsleistung.

Ausgangsspannung und Strom

Es gibt eine wichtige Angabe, die Sie in Ihrem LDO-Datenblatt nachlesen sollten: den Kurzschlussstrom. Dies ist der maximale Strom, den die Komponente liefern kann, und dieser Wert variiert mit der Eingangsspannungsdifferenz. Denken Sie daran, dass Ausgangsspannung und Strom festgelegt sind und sich nicht erhöhen, wenn die Eingangsspannung erhöht wird. Es ist daher eine bewährte Praxis, dass die Eingangsspannung etwas über dem Ausgangsspannungswert liegen sollte. Aus diesem Grund werden LDOs normalerweise für kleine Spannungsabstufungen verwendet, z. B. von 5 V auf 3,3 V bei bekannten Stromerfordernissen.

Es gibt noch einen weiteren Punkt, der bei der Betrachtung von Kurzschlussstrom und Spannungsdifferenz wichtig ist. Der Kurzschlussstrom sinkt auch, wenn der LDO mit einer sehr hohen Spannungsdifferenz betrieben wird. Dies ist wichtig, da einige LDOs, wie z. B. ein LDO mit 3,3 V Ausgangsspannung, eine Eingangsspannungstoleranz von bis zu 30 V aufweisen. Bei einer hohen Eingangsspannungsdifferenz fällt der Kurzschlussstrom ab und wird begrenzt, wodurch die Gesamtausgangsleistung eingeschränkt wird.

Das folgende Beispiel zeigt die Kurve des Kurzschlussstroms in Abhängigkeit von der Eingangsdifferenz für den LT1086CM von Linear.

LDO-Wirkungsgrad Kurzschlussstrom
LT1086CM Kurzschlussstrom.

Diese Komponente hat eine Reihe möglicher Ausgänge mit einer hohen Begrenzung der Eingangsspannung. Wenn Sie mit einer hohen Eingangsspannung arbeiten (über 20 V Spannungsdifferenz), wird die Komponente nicht mehr als etwa 100 mA liefern. Dies sollten Sie bei der Auswahl einer Regelungsstrategie für Ihre Leiterplatte sowie bei der Bestimmung des potenziellen Temperaturanstiegs berücksichtigen.

Wärme und Temperaturanstieg

Sie sollten bei Ihrem Design auch bedenken, dass die Verlustleistung in Form von Wärme abgeführt wird. Die Verlustleistung in einem LDO ist gleich:

LDO-Wirkungsgrad Temperatur
Wärmeabgabe des LDO (in W).

Noch einmal: Wenn die Eingangs- und Ausgangsspannungen nahe beieinander liegen, ist der Leistungsverlust minimal. Der Betrieb bei hoher Spannungsdifferenz mit einigen Ampere Ausgangsstrom kann jedoch zu Überhitzung und Ausfall führen.

Ein typischer Wert für den Wärmewiderstand zwischen Sperrschicht und Umgebung für einen LDO liegt bei etwa 25 deg-C/W. Es ist möglich, dass der LDO durchbrennt und ausfällt. Betrachten wir das obige Beispiel mit dem LT1086, der mit einer Spannungsdifferenz von 25 V bei einer Last von 1,5 A betrieben wird. Aufgrund der Strombegrenzung bei hohem Eingang entsteht in diesem Fall eine Wärmeentwicklung von etwa 2,5 W, was einem Anstieg der Gehäusetemperatur von etwa 62,5 Celsius entspricht. Wenn Sie nahe dem oberen Ende des niedrigen Eingangsbereichs mit einer Spannungsdifferenz von nur 8 V bei 1,5 A arbeiten, würden Sie etwa 12 W abführen, was einem Temperaturanstieg von etwa 300 Celsius entspricht. Im letzteren Fall würde die Komponente ausfallen.

Fazit: LDOs sind großartig, wenn man sie richtig einsetzt

Wenn Sie einen LDO-Spannungsregler verwenden, sollten Sie darauf achten, dass Sie die richtigen Betriebsgrenzen einhalten, damit er wie gewünscht funktioniert. Wenn es Ihnen nichts ausmacht, viel Wärme zu erzeugen und mit niedrigem Strom zu arbeiten, können Sie Ihren LDO auch mit einer hohen Eingangsspannung und einer großen Spannungsdifferenz betreiben. Stellen Sie sich nur darauf ein, dass der Wirkungsgrad in diesem Fall sehr niedrig ist. Wenn Sie die Komponente stattdessen innerhalb des vorgesehenen Eingangsbereichs betreiben (den Sie den Diagrammen im Datenblatt entnehmen können) haben Sie den höchstmöglichen Wirkungsgrad mit niedrigem Dropout und hohem verfügbaren Strom.

Eine gute Lösung ist die Verwendung eines Schaltreglers als Primärregler, wobei der Ausgang mit einem LDO verbunden ist. Schaltregler sind praktisch, weil sie anstelle eines Widerstandselements reaktive Schaltungen zur Modulation der Ausgangsleistung verwenden, was jedoch zu Schaltgeräuschen am Ausgang führt. Die Verwendung des LDO bietet jedoch eine zusätzliche Regelung bis zu Frequenzen von ~100 kHz.

Leistungsregelungskette mit einem Abwärtswandler und einem LDO.
Leistungsregelungskette mit einem Abwärtswandler und einem LDO.

Die andere Möglichkeit besteht darin, die Netzspannung direkt auf einen Wert zu transformieren, der knapp über der Dropout-Spannung liegt. Leider kann man bei realen Bauteilen nicht einfach auf jeden beliebigen Wert heruntertransformieren, sondern Sie müssten dafür eine handelsübliche Komponente mit einem bestimmten Windungsverhältnis verwenden. Um die für einen LDO benötigte Eingangsspannung zu erreichen, ist möglicherweise ein kundenspezifischer Transformator erforderlich – bedenken Sie dies, bevor Sie versuchen, die Netzspannung für einen LDO zu regeln.

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Über den Autor / über die Autorin

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Zachariah Peterson verfügt über einen umfassenden technischen Hintergrund in Wissenschaft und Industrie. Vor seiner Tätigkeit in der Leiterplattenindustrie unterrichtete er an der Portland State University. Er leitete seinen Physik M.S. Forschung zu chemisorptiven Gassensoren und sein Ph.D. Forschung zu Theorie und Stabilität von Zufallslasern. Sein Hintergrund in der wissenschaftlichen Forschung umfasst Themen wie Nanopartikellaser, elektronische und optoelektronische Halbleiterbauelemente, Umweltsysteme und Finanzanalysen. Seine Arbeiten wurden in mehreren Fachzeitschriften und Konferenzberichten veröffentlicht und er hat Hunderte von technischen Blogs zum Thema PCB-Design für eine Reihe von Unternehmen verfasst. Zachariah arbeitet mit anderen Unternehmen der Leiterplattenindustrie zusammen und bietet Design- und Forschungsdienstleistungen an. Er ist Mitglied der IEEE Photonics Society und der American Physical Society.

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