线性稳压器的效率与热设计

2025.06.20

在电源设计中，效率是至关重要的考量因素。本文将探讨线性稳压器效率的计算方法。

效率的计算方法

电源效率用输出功率与输入功率之比（%）来表示。该公式同样适用于线性稳压器。BA1117 的效率可利用以下公式计算得出。需要注意的是，该计算公式是适用于BA1117这样的无接地引脚的浮动工作线性稳压器的公式。对于有接地引脚的类型，（$I_{OUT}$＋$I_{ADJ}$）项将变为$I_{IN}$（输入电流）。关于有接地引脚的类型，我们计划另行撰文介绍。

$\eta = \displaystyle \frac{P_{\text{OUT}}}{P_{\text{IN}}} = \displaystyle \frac{V_{\text{OUT}} \times I_{\text{OUT}}}{V_{\text{IN}} \times \left( I_{\text{OUT}} + I_{\text{ADJ}} \right)} \times 100 \, [％]$

$V_{IN}$：输入电压［V］
$V_{OUT}$：输出电压［V］
$I_{OUT}$：输出电流［A］
$I_{ADJ}$：ADJ引脚电流［A］

其中，当$I_{ADJ}$ ≪ $I_{OUT}$时，可采用下面的公式进行计算：

$\eta = \displaystyle \frac{V_{\text{OUT}}}{V_{\text{IN}}} \times 100 \, [％]$

通过公式可以看出，输入输出之间的电压差越小，效率越高。然而，请务必注意，输入与输出之间的最小电压差被定义为压降电压，因此需要确保该值不低于压降电压值。

线性稳压器的热设计：结温的估算

如前一节在效率的计算方法部分所述，线性稳压器的效率会受到输入输出电压差的显著影响。简而言之，效率低意味着损耗大、发热量大，因此热设计至关重要。

要想确保电源电路的安全性和可靠性，就需要通过热设计确保线性稳压器IC的结温$T_J$不超过规定的绝对最大额定值$T_{J(MAX)}$。因此就需要估算结温，估算方法有以下两种：

利用热特性参数$Ψ_{JT}$估算结温$T_J$

当可对线性稳压器IC进行表面温度测量时，可利用热特性参数$Ψ_{JT}$来估算结温$T_J$。若能将热电偶牢固地固定在封装上表面中心位置，将可精确测量封装上表面中心温度$T_T$，从而利用$Ψ_{JT}$计算出高精度的结温值。计算公式如下：

$T_j = T_T + \Psi_{JT} \times P \, [℃]$

$T_T$：封装上表面中心温度［℃］
$Ψ_{JT}$：结点至封装上表面中心的热特性参数［℃/W］
$P$：IC的功耗［W］

在BA1117的情况下，IC的功耗P可通过下面的公式计算得出。需要注意的是，该计算公式是适用于BA1117这样的无接地引脚的浮动工作线性稳压器的公式。对于有接地引脚的类型，$I_{ADJ}$项将变成$I_{IN}$－$I_{OUT}$。关于有接地引脚的类型，我们计划另行撰文介绍。

$P = \left(V_{\mathrm{IN}} – V_{\mathrm{OUT}}\right) \times I_{\mathrm{OUT}} + \left(V_{\mathrm{IN}} \times I_{\mathrm{ADJ}}\right) \, \left[W\right]$

$V_{IN}$：输入电压［V］
$V_{OUT}$：输出电压［V］
$I_{OUT}$：输出电流［A］
$I_{ADJ}$：ADJ引脚电流［A］

其中，当$I_{ADJ}$ ≪ $I_{OUT}$时，可采用下面的公式进行计算：

$P = \left(V_{\mathrm{IN}} – V_{\mathrm{OUT}}\right) \times I_{\mathrm{OUT}} \, \left[W\right]$

另外，可正常输出的最大电流值可通过下面的公式计算得出：

$I_{\mathrm{OUT(MAX)}} = \displaystyle \frac{T_{\mathrm{J(MAX)}} – T_\mathrm{T}}{\left(V_{\mathrm{IN}} – V_{\mathrm{OUT}}\right) \times \Psi_{JT}} \, \left[\mathrm{A}\right]$

$T_{J(MAX)}$：结温的绝对最大额定值［℃］
$T_T$：封装上表面中心温度［℃］
$Ψ_{JT}$：结点至封装上表面中心的热特性参数［℃/W］
$V_{IN}$：输入电压［V］
$V_{OUT}$：输出电压［V］

利用热阻$θ_{JA}$估算结温$T_J$

利用热阻$θ_{JA}$可轻松估算出结温$T_J$。

$T_j = T_A + \theta_{JA} \times P{[℃]}$

$T_A$：环境温度［℃］
$Ψ_{JA}$：结点至周围环境的热阻［℃/W］
$P$：IC的功耗［W］

在BA1117的情况下，IC的功耗P可通过与含$Ψ_{JT}$的估算公式相同的公式进行计算。
另外，可正常输出的最大电流值可通过下面的公式计算得出：

$I_{\mathrm{OUT(MAX)}} = \displaystyle \frac{T_{\mathrm{J(MAX)}} – T_\mathrm{A}}{\left(V_{\mathrm{IN}} – V_{\mathrm{OUT}}\right) \times \theta_{\mathrm{JA}}} \, \left[\mathrm{A}\right]$

$T_{J(MAX)}$：结温的绝对最大额定值［℃］
$T_A$：环境温度［℃］
$θ_{JA}$：结点至周围环境的热阻［℃/W］
$V_{IN}$：输入电压［V］
$V_{OUT}$：输出电压［V］

热特性参数$Ψ_{JT}$和热阻$θ_{JA}$可通过IC技术规格书或向IC制造商进行确认。下表给出的热特性参数$Ψ_{JT}$和热阻$θ_{JA}$是在特定PCB（印刷电路板）上测得的值。散热性能会因PCB特性、铜箔布局、元器件配置、外壳形状及周围环境等因素的影响而变化，因此热特性参数和热阻值也会随之改变。需要考虑到该数值可能与在实际电路板上的测量值存在差异。

TO252-3封装的热特性参数及热阻示例