【Maker 電子學】漫談電源系統的原理與設計—PART 4

作者:Bird

上一回【Maker 電子學】漫談電源系統的原理與設計—PART 3,我們介紹了 5 V 三端子穩壓 IC 的老祖宗 7805,並說明了穩壓 IC 面對負載及輸入變化時的反應,以及規格中很重要的兩個特性:load regulation 及 line regulation。

這一回我們會繼續用 7805 爲例子,繼續探討線性穩壓 IC 其它很重要的特性:壓差、功耗、溫升、最小壓差等。

解析 7805 的內部

LM7805 是一顆很老的 IC,它已經是一種標準化的零件,因此很多家半導體公司都有生產,很多 datasheet 上也能看到它的內部電路:

(圖片來源:Bird 提供)

上圖中的 Q16 及 Q17 就是我們之前提過的調控電晶體,它們接受電壓偵測和控制電路的輸出、改變壓降等,以達成穩壓的目的。上圖這種兩顆電晶體的接法叫做達靈頓對(Darlington pair),它的等效電流放大率是兩顆電晶體電流放大率(hFE)的乘積,因此可簡單達到非常大的電流放大率;也就是說,也就是能用一個很小的訊號去調控很大的電流。

主要承受壓降的電晶體會是 Q17,因此 Q17 能承受的功率決定了這個穩壓電路能工作的最大功率。它上面會消耗的功率是:

PD=(Vin-Vout)*Iout

線性穩壓 IC 上的功耗等於輸入、輸出之間的壓差,乘上它所供應的電流。換句話說,線性穩壓 IC 的效率只跟它的工作條件(電壓、電流)有關,而跟 IC 本身的特性無關,一顆比較厲害或反應比較快的線性穩壓 IC 並不會有比較好的效率,因為這種穩壓方式就是用調控電晶體上的阻抗把多餘的能量變成熱,它本來就沒有什麼效率好不好的問題。

當壓差很高時…

因此在設計電路、選用線性穩壓結構時,一定要注意穩壓 IC 上的功耗,尤其是壓差很大的場合。舉個例來說,7805 的輸入電壓可以耐到 35 V,但當你真的用 35 V 的輸入來產生 5 V 的輸出時,7805 上就要承受 35 V – 5 V = 30 V 的壓降,這麼高的壓降只要乘上一點點電流,都會造成可觀的功耗。比方說我們的 5 V 要吃 100 mA 的話,在 30 V 的壓降下造成的功耗就是:

PD=(Vin – Vout)* Iout  = (35 – 5)* 0.1 = 3(W)

也就是說有 3 瓦的能量會在 7805 上消耗掉變成熱。3 W 會有多熱?如果你對這個數字沒有概念,沒關係,datasheet 上有一些關於熱特性的資料可以幫助我們評估。

在我們評估零件的發熱與溫度的關係時,最重要的參數叫做「熱阻」,它可以想像成這個零件「阻擋熱量流動」的特性。熱阻越小,熱量越容易從 IC 內部的熱源傳遞出來到外界散逸掉,IC 的溫度就約低;熱阻越大,熱量越不容易傳遞,溫度就會越高。

熱阻常用的符號是 𝛉,唸作 theta,或是 Rth,後面會跟著兩個符號,代表這個熱阻是熱量從哪裡傳到哪裡的特性。我們在 7805 的 datasheet 中可以查到這兩個熱阻的數值:

(圖片來源:Bird 提供)

第一個熱阻 RthJC 後面跟了兩個字母:J 跟 C。J 代表 junction,在 IC 還沒發明的那個年代,最早的意思是指二極體或電晶體的 P-N 接面,因為半導體的 P-N 接面是電場、電荷密度和電壓變化最大的區域,半導體的主要功耗都發生在這個區域,因此 P-N 接面也會是半導體工作時最熱的地方。而在現代的 IC 中,因為半導體晶粒(die)上面充滿了各式各樣的半導體零件,其中的 P-N 接面數量何其繁多,難以一一觀察,因此 junction 的溫度就引申為半導體晶粒的溫度。雖然在實務上,晶粒上不同位置可能有不同的溫度,但由於尺度很小,在計算熱阻時不必細究。

C 代表 case,它指的是 IC 封裝的表面溫度。因此 RthJC 指的就是「熱量從半導體晶粒傳到封裝表面的阻力」,它的單位是 ℃/W,意思就是每瓦的熱量會造成多大的溫差。熱阻越大,熱量傳遞越不容易,熱阻符號兩端的溫差就會越大。以上表爲例,TO-220 封裝的 7805,RthJC 的熱阻是 5 ℃/W,也就是每瓦的熱會在封裝外殼表面和晶粒之間造出 5℃ 的溫差,那麼 3W 就是 3*5 =15 度。這個 15 度的意思就是當 7805 的發熱是 3W 時,晶粒的溫度會比外殼的溫度高 15℃。

15℃ 聽起來好像還好,但這僅是與外殼的溫差,我們真正需要在意的是第二個熱阻 RthJA。這個 A 代表 ambient,意思是環境溫度,如果 7805 所在的電路板沒有做什麼特殊的散熱處理,那麼 ambient temperature 大概可以當作是它所在環境的空氣溫度。一般我們說某個零件的工作環境是「室溫 25℃」,這個 25℃ 就是 ambient temperature。

那我們來看看 TO-220 包裝的 7805 它的 RthJA 是多少。這個數字比剛剛的 RthJC 大得多,高達 50℃/W。換句話說,每瓦的熱會讓晶粒的溫度比環境溫度高出 50℃,那麼 3W 的熱就會有 3*50 =150 (℃)的溫差。

150℃ 溫差的意思,就是當環境溫度是 25℃ 時,晶粒的溫度已經高達 25℃ + 150℃ = 175℃!

但是鄉親啊,半導體其實沒辦法在這麼高的溫度之下工作啊!除非有特別說明,否則大部分半導體零件可以承受的最大 junction temperature 大概在 125℃,超過這個溫度以上就會因熱電子造成嚴重的性能偏移、甚至誤動作。以 7805 來說,如果你讓它的 junction temperature 變這麼高,它可能就無法產生穩定的 5 V 輸出。 

(圖片來源:Bird 提供)

事實上像 7805 這樣可以耐高壓差的線性穩壓 IC,在設計之初就已經考慮到它可能會因爲壓降的關係承受很大的功率,因此在 7805 的 datasheet 標示的最大輸出電流和最大承受功率都寫著「internally limited」,意思就是它內部有電路會偵測 junction temperature,並在超過允許的工作條件時自動降低或關閉輸出,以保護自己,避免造成不可逆的破壞。

線性穩壓 IC 雖然方便好用,但由於它是用「消耗」的方法把多餘的能量變成熱的形式來達成穩壓的目的,在壓差很大的情況下會因發熱過大而變得設計困難,效率也很差,因此當壓差很大時,我們多半不會用線性穩壓 IC 來設計穩壓電源,而會用效率較高的交換式電源來設計。我們後面聊到交換式電源時會再詳細說明。

最低壓差

看完壓差很大的情況後,我們再來看看壓差小的工作狀況。再來看一次 7805 內部的電路圖,注意一下右上角的 Q17 和 R11。

(圖片來源:Bird 提供)

這兩個零件直接跨在 IN 和 OUT 兩個端子之間,這就是用來製造壓降、調控電壓的路徑。當我們需要的壓差很小時,比方說輸入電壓只有 6 V,而 7805 的穩壓輸出是 5 V,這時 Q17 和 R11 上的壓降總和就只能有 1 V。

辦得到嗎?輸出電流小的時候也許辦得到,但輸出電流大的時候會有困難。

我們先來看看 7805 規格書中,關於最小壓差的規範:

(圖片來源:Bird 提供)

在輸出電流 1 A、接面溫度 25℃ 時,最小的壓差要 2 V,也就是說至少要輸入 7 V,才能有穩定的 5 V/1 A 輸出。

爲什麼會有這樣的限制呢?

我們先看 R11,這是一個串接在調控電晶體 Q17 輸出上面的電阻,所有的輸出電流都會經過它,它上面的壓降就是:

VR11 = Iout*R11

這個電阻上的壓差正比於輸出電流,它的目的就是用來偵測輸出電流,當輸出電流太大時,回過頭去調控 Q17 把水龍頭關小一點。這就是前面講的輸出電流「internally limited」的機制之一。

R11 的值根據 7805 的供應商不同而有些微的差異,但根據各方可靠的線報,大概落在 0.2 Ω – 0.3 Ω 左右,因此當輸出電流 1A 時,上面就會有 0.2 V – 0.3 V 的壓降。

另一個限制最小壓降的原因則是調控電晶體 Q17 的飽和電壓 VCE,SAT。當電晶體 IB 乘上 hFE,大於它實際流過的 I時,我們就說這個電晶體「飽和」了,意思就是水龍頭已經開到最大,不能更大了。而這時 CE 之間的電壓,就稱之爲這個電晶體的飽和電壓。

飽和電壓與電晶體的製程、特性有關,也跟流過的電流有關。一般來說,電晶體越大顆,飽和電壓會越低;流過的電流越大,飽和電壓會越高。一個可以耐 2-3 A 的功率晶體,在 1 A 左右時的飽和電壓大概都要 1 V – 1.5 V 左右,電流更大時會更高,因此 7805 裡面的 Q17 在 1 A 輸出時上面大概也會有個一點多伏特的飽和電壓,再加上剛剛 R11 的壓降,就成爲「最少需要 2V 壓差」的這個限制。

別小看這 2 V 的壓差,在電流大時它所造出來的功率消耗也相當驚人。以 1 A 的工作條件來說,7805 上面就會有 2 W 的功耗,再根據我們前面說過的熱阻來計算溫升,發現接面溫度對環境溫度會有 100℃ 的溫升。如果環境溫度是 15℃,接面溫度就剛好到達 125℃ 的上限,因此這也差不多是 7805 的極限工作狀態。雖然大部分的 7805 都宣稱可以輸出 2 A 以上,但因爲最小壓差造成的發熱,如果沒有妥善散熱的話,它很難在 1 A 以上的電流持續工作。

壓差較小的線性穩壓器 LDO

有沒有最小壓差比較小的線性穩壓器呢?有啊,就是現代電源 IC 供應商常常掛在嘴上的 LDO 穩壓器(low drop out regulator)。

相較與已經存在地球上超過 30 年的 7805,現代的線性穩壓 IC 利用 MOSFET 導通時電阻可以極小的特性,讓水龍頭可以開很大,在小電流時甚至可以達到 0.1 V 以下的最小壓差,也就是說如果我要 輸出 5 V,最低只需要供應 5.1 V 就可以讓它穩定工作了;如果我要輸出 3.3 V,最低只需要 3.4 V 就可以讓它穩定工作。

低壓差穩壓器對於用電池供電的攜帶型裝置來說極爲重要,因爲現在的數位電路多半工作在 3.3 V,如果穩壓器需要 2 V 的壓差才能工作,輸入電壓就會需要 3.3 + 2 = 5.3 V,這已經高出單顆鋰電池可以供應的電壓 3.6 V – 4.2 V 甚多。但如果穩壓器只需要 0.2 V 的壓差,就可以在電池電壓只有 3.3 + 0.2 =3.5 V 時還能提供穩定的 3.3 V 輸出,差不多可以把鋰電池榨到乾。

LM3940 就是一個很常用的 3.3 V 輸出低壓差線性穩壓器。我們來看看它的壓差特性:

(圖片來源:Bird 提供)

在 1 A 輸出、接面溫度 25℃ 時,它的壓差最大只有 0.8 V,typically 甚至只有 0.5 V,很顯然因爲壓差造成的發熱跟 7805 比起來就會小很多。而在輸出電流只有 100 mA 時,它所需要的壓差甚至低於 0.2 V,可以大幅節省能量,降低不必要的電池消耗。

小結

這回我們談了 7805 工作時因爲壓差而造成的發熱,以及如何利用發熱、熱阻來計算溫度。我們也說明了 7805 這種傳統的線性穩壓 IC 爲何需要較大的壓差才能工作,並簡單提了現代的 LDO 線性穩壓器改善到什麼程度。

下一回我們會繼續探討線性穩壓器最重要的特徵:電壓調整,以及回授電路的設計。

(責任編輯:賴佩萱)

Author: Bird

在外商圈電子業中闖蕩多年,經歷過 NXP、Sony、Crossmatch 等企業,從事無線通訊、影像系統、手機、液晶面板、半導體、生物辨識等不同領域產品開發。熱愛學習新事物,協助新創團隊解決技術問題。台大農機系、台科大電子所畢業,熱愛賞鳥、演奏管風琴、大提琴、法國號,亦是不折不扣的熱血 maker。

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