Перейти к содержанию

LDO или импульсный преобразователь

Укажите напряжения, ток нагрузки и параметры из даташитов — калькулятор посчитает потери обоих стабилизаторов, нагрев LDO и время работы от батареи, чтобы было видно, где линейный стабилизатор ещё выгоден.

Исходные данные

В

от батареи или блока питания

В
мА

средний, а для нагрева — наибольший

мкА

ground current из даташита

%

по графику даташита при этом токе

°C/Вт

SOT-23 — около 220

°C
°C

с запасом

мА·ч

необязательно: для времени работы

% в год

Результат

Меньше потерь
у импульсного
116 мВт против 340 мВт
LDO: КПД и потери
66 %, 340 мВтток от источника 200 мА
LDO: кристалл
101 °Cбез перегрева до 472 мВт
Импульсный: КПД и потери
85 %, 116 мВтток от источника 155 мА

Расчёт выполнен по формулам и данным из источников, приведённых на этой странице, и не заменяет проверку: параметры компонентов у разных производителей и даже партий различаются. Перед применением сверяйте результат с документацией на конкретные детали.

Линейный стабилизатор (LDO) и импульсный преобразователь решают одну задачу — дают стабильное напряжение, — но платят за это по-разному. LDO гасит лишнее напряжение на регулирующем транзисторе и превращает его в тепло, импульсный преобразователь переключает ключ и теряет на переключении и в дросселе. Калькулятор сравнивает потери обоих при ваших напряжениях и токе.

Потери LDO

Ток, который входит в LDO, уходит либо через регулирующий транзистор в нагрузку, либо через собственные цепи на землю (ground current). Отсюда мощность, которая рассеивается на стабилизаторе (Microchip AN761, AN765):

PD=(Uвх−Uвых)⋅Iн+Uвх⋅Ignd.P_D = (U_{вх} - U_{вых}) \cdot I_{н} + U_{вх} \cdot I_{gnd}.

КПД — отношение мощности в нагрузке к мощности, взятой от источника: η = Uвых · Iн / (Uвх · (Iн + Ignd)). При токе нагрузки много больше собственного потребления он почти равен Uвых / Uвх.

Пример из AN761: стабилизатор TC1264 на 3,0 В питается от 5 В ±5 %. В худшем случае — 5,25 В на входе, 2,93 В на выходе, 0,7 А нагрузки и 130 мкА собственного потребления — он рассеивает (5,25 − 2,93) · 0,7 + 5,25 · 0,00013 ≈ 1,62 Вт. Для расчёта нагрева так и берут наибольшее входное напряжение, наибольший ток и наименьшее выходное напряжение.

Нагрев кристалла

Рассеиваемая мощность нагревает кристалл выше окружающего воздуха на PD · θJA:

TJ=θJA⋅PD+TA.T_J = \theta_{JA} \cdot P_D + T_A.

Тепловое сопротивление кристалл–воздух θJA зависит от корпуса и платы: у корпуса SOT-23 на однослойной плате AN765 даёт 220 °C/Вт, у TO-220 без радиатора в примере AN761 — 53 °C/Вт. В том же примере 1,62 Вт при 70 °C нагревают кристалл до 155,86 °C — выше допустимых 150 °C, и без радиатора стабилизатор рассеет не больше (150 − 70) / 53 ≈ 1,5 Вт. Если нагрев выходит за предел, поможет радиатор — его подберёт калькулятор радиатора.

Потери импульсного преобразователя

У импульсного преобразователя потери считают через КПД η = Pвых / Pвх (AN1207): от источника берётся Pвых / η, а теряется Pвых · (1/η − 1). Ток от источника меньше тока нагрузки, если входное напряжение выше выходного, — в этом главный выигрыш при питании от батареи.

КПД зависит от тока нагрузки: в даташите его приводят графиком. AN1416 предупреждает, что импульсные стабилизаторы рассчитаны на большие мощности и при малых токах их КПД резко падает, поэтому для устройства, которое почти всё время спит, LDO с малым током покоя может оказаться выгоднее. Вводите КПД с графика при своём токе, а для спящего устройства сравнивайте оба варианта при среднем токе.

Время от батареи

Время работы — ёмкость батареи, делённая на ток, который берёт от неё стабилизатор (AN1416, уравнение 4). Саморазряд учитывается как постоянный добавочный ток: батарея на 220 мА·ч с саморазрядом 1 % в год теряет 2,2 мА·ч за год, это около 0,25 мкА. В таблице 7 AN1416 датчик со средним током 2,788 мкА работает от элемента CR2032 8,3 года — калькулятор даёт то же.

Расчёт считает напряжение батареи постоянным и равным входному. У щелочных элементов оно падает по мере разряда, а у LDO при снижении входного напряжения до Uвых плюс падение (dropout) выход перестаёт стабилизироваться — время до этого момента точнее оценить по разрядной кривой батареи. Подробнее о среднем токе устройства со сном — в калькуляторе времени работы от батареи.

Частые вопросы

Какой КПД у LDO?

Почти равный отношению выходного напряжения к входному: ток нагрузки проходит через стабилизатор целиком, а разница напряжений превращается в тепло. Из 5 В в 3,3 В это около 66 %, из 3,7 В в 3,3 В — около 89 %. Ток собственного потребления LDO снижает КПД ещё немного и заметен только при очень малой нагрузке.

Когда LDO лучше импульсного преобразователя?

Когда разница напряжений мала, ток невелик или нужно чистое питание без пульсаций переключения: для аналоговых цепей, АЦП и радиомодулей. У импульсного преобразователя КПД зависит от тока нагрузки и при малых токах падает — в устройстве, которое почти всё время спит, LDO с малым током покоя может оказаться выгоднее.

Сколько тепла выделит стабилизатор 7805 при 12 В на входе и токе 0,5 А?

(12 − 5) · 0,5 = 3,5 Вт плюс несколько миллиампер собственного потребления на 12 В. Без радиатора корпус TO-220 с тепловым сопротивлением кристалл–воздух около 50–65 °C/Вт этого не выдержит: перегрев составил бы 175–230 °C. Нужен радиатор или импульсный преобразователь.

Где взять КПД импульсного преобразователя?

В даташите микросхемы есть график Efficiency vs Output Current для нескольких входных напряжений. Берите значение при своём токе нагрузки и напряжении: при малых токах КПД заметно ниже, чем в рекламном максимуме.

Источники

  1. Microchip. AN761: LDO Thermal Considerations (DS00761B) — уравнения 1–3: баланс мощности и рассеивание LDO; пример 1 — TC1264 с 5 В на 3,0 В при 0,7 А: 1,62 Вт; уравнение 9 и пример 2 — температура кристалла 155,86 °C при θJA 53 °C/Вт
  2. Microchip. AN765: Using Microchip's Micropower LDOs (DS00765A) — уравнение 3: PD = VCC · IS + (VCC − VOUT) · ILOAD; уравнение 4: θJA = (TJMAX − TA)/PDMAX, корпус SOT-23 — 220 °C/Вт, расчётный предел кристалла 125 °C
  3. Microchip. AN1207: Switch Mode Power Supply (SMPS) Topologies (Part II) (DS01207B) — КПД преобразователя η = PO/PI
  4. Microchip. AN1416: Low-Power Design Guide (DS01416A) — раздел Power Supply Design: КПД импульсных стабилизаторов падает при малых токах; уравнение 4 и таблица 7 — время работы от батареи с учётом саморазряда
Встроить калькулятор на свой сайт

Скопируйте код и вставьте его в HTML страницы, статьи или вики. Виджет бесплатный, без рекламы, счётчиков и cookie. Условие одно — ссылка на GAW под рамкой остаётся на месте. Подробнее о виджетах

<iframe src="https://gaw.ru/embed/ldo-vs-dcdc/" title="LDO или импульсный преобразователь" width="100%" height="640" style="border:1px solid #e3e5e9;border-radius:8px" loading="lazy" allow="clipboard-write"></iframe>
<p style="margin:6px 0 0;font-size:14px">Калькулятор: <a href="https://gaw.ru/tools/ldo-vs-dcdc/">LDO или импульсный преобразователь</a> — GAW.ru</p>
Автоподстройка высоты рамки

Если сайт разрешает скрипты, добавьте этот код один раз в любом месте страницы: рамка будет менять высоту вместе с результатом расчёта.

<script>window.addEventListener("message",function(e){if(e.origin!=="https://gaw.ru"||!e.data||e.data.type!=="gaw:embed-height")return;var f=document.querySelectorAll('iframe[src^="https://gaw.ru/embed/"]');for(var i=0;i<f.length;i++)if(f[i].contentWindow===e.source)f[i].style.height=e.data.height+"px"})</script>

Обновлено .

Нашли ошибку в расчёте?