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【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:

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Liang Bird

Author: Liang 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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2 Comments

  1. Hi Bird,

    另外幾個問題: 請教我怎麼理解才是正確的呢?

    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。
    ==> 您前一章講load regulation時有提到, 當負載的電流變大時,輸出的電壓會降低,穩壓 IC 就要把裡面的電晶體開大一點,讓穩壓 IC 上的壓降變小,才能維持輸出電壓的穩定, 可是這一段卻說要把水龍頭關小一點(導通量調小), 我猜是因為負載過大超出可接受範圍, 穩壓IC溫度過高, 會啟動過溫保護(OTP), 所以才把水龍頭關小一點, 所以才叫做輸出電流「internally limited」對嗎? 這種情況下就無法維持輸出電壓的穩定

    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 IC 時,我們就說這個電晶體「飽和」
    ==> 是說Ic= Ib*hFE, 但當電晶體在飽和狀態時,不管Ib怎麼增加,Ic都維持不變嗎?

    以下這一段敘述, 不是很懂, 可以稍作解釋嗎?
    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
    ==> 愈大顆飽和電壓愈低是甚麼意思?
    ==> 以linear regulator的功用來說, 飽和電壓是要愈低愈好呢?還是愈高愈好?

    隨著基極電流的增加,電晶體的工作狀態將由放大區向飽和區過渡,當基極注入的電流達到一定程度時,電晶體的飽和程度將加深。最後出現無論基極電流怎麼增加,集電極電流將維持不變,此時,電晶體進入深飽和狀態。

    原文網址:https://kknews.cc/news/v6nnpaq.html

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  2. Hi Bird,

    1. 上圖中的 Q16 及 Q17 就是我們之前提過的{調控電晶體}
    ==> 想跟您請教:您在之前part2的時候曾說…
    虛線框起來的地方,就是一個穩壓電路,它藉由{調控電晶體}上的壓降,來維持輸出電壓的穩定。至於爲什麼用{ PNP 電晶體},這有一些現在不太容易說明的理由,等到我們講實際的穩壓電路時再討論。
    我的問題是….這個7805內部的調控電晶體並不是{PNP電晶體}耶? 請問這該怎麼理解才對?

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