低功耗会烧毁器件?低电流损耗也可能带来麻烦

selina 在 周二, 10/17/2017 - 14:44 提交

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问题:

我更换了一个更新更好的器件,具有更低的电流损耗。结果发生故障,新器件甚至烧毁。请问您如何解释这一现象?

答案:

线性稳压器是相当简单的器件,并没有太多挑战。尽管如此,偶尔还是会遇到麻烦。

我当现场应用工程师时,有时客户会请我推荐替代其他供应商的器件。在许多情况下,器件的替换由客户的生产、采购团队决定,而原来的电路设计师可能并不知晓这个变更。决策过程相当简单:替换器件应当具有相同的功能、封装和引脚配置,以及与被替换器件同等甚至更好的电气规格。只要满足所有这些要求,就向元器件工程师提供必要的比较数据,将新元器件添加到材料清单中,作为第二供应商备选件。做完这些,应当大功告成。但事实上,使用旧器件正常工作的产品在替换为备选件后,在生产线上开始失效。哪里出错了呢?

我曾参与解决这样一个案例,我们遵循上述流程,在客户设计中,将一个隔离式RS-485收发器作为另一供应商器件的第二供应商。两个器件形状、尺寸和功能兼容,而我们的器件具有更好的电气规格。客户随后向我们下了大量此器件的订单,似乎没有任何理由出错。然而,客户报告说,新的RS-485收发器在生产测试台上开始失效。由于设计中没有任何别的改变,所以一定是图中的新器件出错了。

经过进一步调查,我们发现为收发器总线侧供电的线性稳压器未按预期稳压至5V,而是上升到更高的电压。我们不得不仔细检查、比较旧收发器和替换件的数据手册,以及线性稳压器的数据手册,以确定哪里出错了。

"更好"是一个定性术语,具体取决于所讨论的参数。例如,当涉及到速度、CMRR、PSRR时,越高越好;当涉及到失调电压、漂移时,越低越好;而您不需要太多工程知识就知道功耗总是越低越好。真的是这样吗?在这个特殊案例中,并非如此。旧收发器闲置状态下在总线侧消耗15mA(典型值)电流,而新器件仅消耗2mA(最大值)。毫无疑问,新器件在数据上看起来更好。不幸的是,线性稳压器似乎失常了。

正如本文开头提到的,线性稳压器相当简单,并没有太多要求。然而,它的一个特殊要求是需要最小负载电流才能正常工作。如果这一需求没有被满足,稳压器将无法正常稳压,输出电压超出范围。如果稳压器的输入电压远高于期望的输出电压,情况将变得更差。阅读优秀文章,了解有关此主题的更多细节。1

许多现代线性稳压器在设计中特别注意了这个问题,因而不会产生故障。一些旧器件(如本案中客户设计所用的器件)没有考虑此点,因此在系统设计时需要额外的预防措施。某些情况下,可调输出LDO的反馈电阻网络负责最小负载电流。不幸的是,如果决定大幅提高电阻,同时保持相同比值,很可能无意中闯祸。还有另外一种情况,即由LDO供电的器件在正常工作期间满足负载要求,而在待机状态下则不行。这些都是需要注意的潜在缺陷,因此请务必仔细阅读LDO数据手册。如果有最小负载电流要求,通常以某种形式体现出来。下面是几个示例:

数据手册中的最小负载电流实例

图1. 数据手册中的最小负载电流实例

左边线路图:采用旧器件的稳压器正常工作(满足最小负载电流要求)。右边线路图:采用新器件的稳压器不稳定(负载电流不足)

图2. 左边线路图:采用旧器件的稳压器正常工作(满足最小负载电流要求)。右边线路图:采用新器件的稳压器不稳定(负载电流不足)

回到我们的故事——一旦了解了问题产生的根本原因,那么修复就相当简单。我们要做的就是在调节器输出端加一个泄放电阻,以消耗最小负载电流。虽然不理智的客户很容易将问题简单地归咎于我们的器件,但本例中的客户看到了积极的一面,很高兴能从这一案例中学习到新技术。

增加一个泄放电阻满足最小负载电流要求后,问题解决了

图3. 增加一个泄放电阻满足最小负载电流要求后,问题解决了。

有如童话中的完美结局——虽然有牺牲,但最终每个人都过上了幸福快乐的生活。

参考文献

1. Luca Vassalli. "最小负载电流工作 — 零负载工作." 模拟对话,第48卷,2014年9月。

作者:

Abhinay Patil 于2003年加入ADI公司,现在印度班加罗尔任大客户现场应用经理。他拥有电子通信工程学士学位。

主图: 

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