使用引脚兼容的降压电源模块升级我们的 TO-220 线性稳压器

几十年来，设计人员在电子应用中使用线性稳压器，因为它们简单且成本低。对于完整的降压电源，我们只需要一个输入和输出电容器以及一个线性稳压器，与开关稳压器相比，它的设计要简单得多，噪声也更低。在输入电压 (V IN ) 接近输出电压 (V OUT ) 的应用中，其效率也很高。由于这些优势，我们仍然会发现线性稳压器在低功耗系统中用作稳压器。

在市场上可用的线性稳压器中，UA7805 系列非常受欢迎——它具有固定的输出电压，通常采用标准的三引脚晶体管外形 (TO)-220 封装（图 1）。三个引脚是 V IN、V OUT和 GND。一个很好的例子是 UA7805，它具有固定的 5V 输出并受益于我上面列出的优点。UA7805在输入电压较高的应用中确实有一个明显的缺点：功耗大。

图 1：3 引脚 TO-220 封装 

在工作期间，输出电流等于输入电流。内部金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 主要在其饱和区工作，同时管理输入和输出电压之间的压降。UA7805的功率损耗为(V IN -V OUT )*I OUT，对于12V的输入电压和5V的输出电压，只有200mA的输出电流代表1.4W的功率损耗( (12V-5V)*0.2A ）。

1.4W 转化为热量，通过外壳和空气散发。图 1 是 UA7805 在 12V 至 5V、200mA 输出电流下的外壳温度。如果没有散热片，外壳温度可能会上升到 103.1 ° C。如果考虑到从结到外壳的热阻，内部芯片温度甚至更高。TO-220 封装的 UA7805 支持高达 1.5A 的输出电流，但在 12V 至 5V 条件下，UA7805 必须显着限制其输出电流。对于更高的输入电压（例如流行的 24V 电源），该线性稳压器会因散热问题而无法使用。图 2 是 UA7805 的外壳温度。

图 2：UA7805 在 12V 至 5V/200mA 下的外壳温度

对于 12V 和 24V 电源总线应用，降压开关稳压器更适合，因为它们具有更好的效率和热性能。内部功率 MOSFET 将在其线性区域内工作；只有传导和开关损耗会影响器件的功耗。在相同的工作条件下，降压稳压器的总损耗远小于线性稳压器。因此，如果可以将 TO-220 封装的 UA7805 升级为更高效率的降压稳压器，则可以大大提高系统的整体能效。

如果我们选择开关降压稳压器来代替 UA7805，将会面临几个挑战：

· 更多的设计复杂性。设计降压稳压器需要选择滤波器电感器和电容器等元件。调整控制回路还需要强大的电源和控制背景。

· 更高的物料清单 (BOM) 计数。大多数降压稳压器集成电路 (IC) 要么是控制器，要么是集成转换器。我们将需要功率 FET、电感器和电容器。

· 新的印刷电路板 (PCB) 布局设计。大多数开关降压稳压器 IC 都是表面贴装的，我们需要重新布线 PCB 布局以更换 UA7805。

· 可能的电磁干扰 (EMI) 问题。由于开关速度快，开关稳压器会导致噪声和 EMI 问题。

为应对这些挑战，TI 发布了新的降压电源模块系列 – TPSM84203/05/12 – 与 TPS54302 DC/DC 转换器 IC 一起开发。该系列包括三个器件（TPSM84203、TPSM84205 和 TPSM84212），能够从 24V 电源（最大 28V）提供高达 1.5A 的电流，并分别提供 3.3V、5V 和 12V 的固定输出电压。

稳压IC、电感、输入旁路电容和启动电容都集成在一个模块中。与UA7805一样，除了输入输出电容外，无需其他元件选择。三引脚（V IN、V OUT、GND）TO-220 封装提供与 UA7805 的引脚对引脚兼容性，因此无需任何电路板更改即可显着提高效率。图 3 显示了 TPSM84203/05/12 的 TO-220 封装内部。

图 3：TPSM84205 和 UA7805 的相同 TO-220 封装

图 3 比较了 TPSM84205 和 UA7805 的效率和功率损耗。TPSM84205 的一个不错的特性是其轻负载效率模式即使在低电流下也能保持高效率，即使在系统处于待机状态时也有助于最大限度地降低功耗。图 4 清楚地显示了通过使用引脚兼容的 TPSM84205 而不是 UA7805，12V输入、5V输出系统的效率提高了50% 以上。

图 4：TPSM84205 和 UA7805 的效率和功耗比较

TPSM84203/05/12 具有与 TPS54302 相同的扩频特性，以减少由开关稳压器引起的 EMI。使用适当的外部输入滤波器，TPSM84203/05/12 将轻松通过欧洲标准 (EN) 55022 B 类 EMI 测试。图 5 是 TPSM84205 的 EN55022 B 类传导发射测量图。

图 5：传导发射测量：V IN = 24V，V OUT = 5V 和 I OUT = 1.5A

用 TPSM84203/05/12 系列替换 UA7805 型稳压器有很多好处——通过使用具有相同 BOM 数的引脚兼容解决方案，整体效率将显着提高，而扩频设计确保解决方案有助于满足 EMI 要求。