强调实时监控和控制的工业物联网(IoT)，导致工业机器和流程上的传感器数量激增(图1)．许多被测量的量在本质上是相似的，包括压力、温度和流量。
1.这个自动化工厂依赖于来自多个模拟传感器的精确数据。(来源:TI博客:“如何确保自动化流程的准确性”）
一个典型的数据采集系统包括一个与传感器连接的精确模拟前端，然后是一个模数转换器，它通过有线或无线连接将信息发送到网关，然后到云。
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开关与线性稳压器-一个(非常)短概述
工业数据采集系统的电源通常由开关和线性稳压器组成。每种类型的设计都有其优点和缺点。在其核心，开关设计依赖于一个功率晶体管，它将模拟输入电压改变为脉冲宽度调制(PWM)脉冲序列，其占空比取决于输出电压和电流。所选择的拓扑取决于应用程序。开关稳压器可以将输入电压转换为更高的电平(升压)，更低的电平(降压)，甚至可以将正电压转换为负电压。
开关稳压器效率很高，最高可达95%或更高，所以一个紧凑的设计可以处理大量的功率。开关稳压器的高效率使其成为大型电源转换任务的首选，例如为工业机架提供系统直流电源。为了解决这个问题，德州仪器公司开发了一个广泛监管机构的切换。
另一方面，晶体管的开关动作产生的噪声出现在输出上的波纹。此外，在切换控制器能够检测和响应突然的负载变化之前，还有一些延迟。
在数据采集系统中，当为敏感的模拟电路提供清洁电力时，高水平的噪声是一个问题，因为它缓冲或放大了低电平的传感器输入。这就是线性调节器的范围。
2.线性稳压器保持恒定电压V出随着负载电流的变化。PNP通过晶体管以热的形式耗散多余的功率。(来源:TI:“自动化工业系统的线性电源”PDF）
一个线性调节器(图2)具有非常低的输出纹波和噪声，因为它不使用任何开关元件。相反，它的功率晶体管可以连续工作。期望输出电压与实际输出电压之间的任何差值都表示为一个错误信号。功率晶体管控制电路利用误差信号来调整功率晶体管，使输出电压更接近所需要的值。反馈回路在本质上是模拟的，因此线性调节器对负载变化作出即时响应。
线性设计只能转换较高的输入电压V在降低输出电压V出．表示输入输出之差的电压(V在−V出)出现在功率晶体管上;对于电流I出，功率晶体管就会以热的形式耗散浪费掉的功率:
PD= (V在−V出×我出+ (V在×我地面）
(V在x我地面)表示该设备的控制电路所消耗的功率。(V在−V出)增加时，线性调节器耗散更多的功率，电源的效率逐渐降低。因此，V的差值在和V出应该保持尽可能低的温度。
线性稳压器的输入电压必须比期望的输出电压高一个特定的值，即降压电压V做——维护监管。如果输入低于最小值，则输出电压开始下降。V的值做随着输入电压、输出电流和结温的变化而变化，但低压降阻(LDO)稳压器的降阻电压可以低至零点几伏特。关键的LDO参数包括降压、输出电压、输出电流、输入电压范围、封装类型、封装尺寸、使能或缓启动等控制特性、功耗能力和噪声性能。
德州仪器提供了超过500个LDO调节器适用于工业、消费、通信和汽车应用。
LDO热工性能和包装
由于LDO以热量的形式耗散多余的功率，其热性能对设计者来说是非常重要的。有两个主要的关注点:确保零件不会变得太热;并且在温度超过安全阈值时保护它。让我们仔细看看这两个主题。
为什么我们要关心LDO的温度?虽然低温会导致问题，但在电力设备中，我们主要关心的是高温。
事实上，在足够高的温度下(对于掺杂硅来说大约290°C)，半导体作用停止——n区和p区之间的电差异消失，p-n结不再控制载流子流量。然而，早在那之前，由过热引起的热应力就会融化封装，扭曲和破裂集成电路。
还有更微妙的影响。许多操作参数与温度有关。在高温下，设备仍可运行，但不再保证符合数据表规格。
一个LDO数据表列出了几个高温限制，以及如果超过它们可能的后果。有关详细信息，请参阅数据表下表总结了结果。
运行时，LDO温度在结TJ温度高于环境温度T一个由于功率PD通过晶体管消散。T的值J是由:
TJ= T一个+ (PDx Rθ是）
在Rθ是是器件从结到周围环境的热电阻，表示为摄氏度每瓦特。此参数在数据表中声明，如图3．它指定了每瓦特功率消耗的温升，是设备包热性能的一个度量。你应该注意不要完全依赖于Rθ是来估算应用中器件的温度，因为实际值也取决于PCB设计、布局等因素。
3.许多债务抵押债券，例如TPS759如图所示，提供不同R的套餐选择θ是值。请注意，测试条件已明确说明。(来源:TI:“功率良好的快速瞬态响应7.5 a低电压降稳压器”PDF）
如果每个设备都使用标准化测试(如JEDEC的EIA/JESD51-x标准)来测量R，则可以比较来自不同制造商的两个设备的热性能θ是．有关IC封装热性能的更多信息，请参阅本文申请报告．
按照以下步骤将LDO温度升高降到最低
如果LDO供电，它的温度就会上升。但你可以采取措施，帮助设备散热，对抗物理定律。
许多ldo有各种各样的包装。除非你的设计空间非常有限，否则你可以选择一个更大、更热的包装。选择正确的包装会有很大的不同。的TPS732例如，250-mA LDO有三种封装类型:8脚SON (3.00 × 3.00 mm)、6脚SOT-223 (6.50 × 3.50 mm)和5脚SOT-23 (2.90 × 1.60 mm)。
R的值θ是分别为58.3、53.1和205.9°C/W。为什么会有这么大的差异?SON和SOT-223是相对较大的功率包与暴露的铜垫;这些是焊接到PCB地平面，并提供一个热高效的管道，以消除热量。SOT-23封装缺少一个热垫;它也是最小的尺寸，所以它有最小的表面积来通过辐射和对流散热。
我们可以执行一个快速计算来说明TPS732中包之间的差异。让我们假设V在= 5.5, v出= 3 V, I出= 250 mA。接地电流I地面随着温度的变化，V在,我出；在最大推荐工作温度125°C时，约0.72 mA。
利用上面的公式得出:
PD= (5.5 - 3.0) × 0.25 + (5.5 × 0.00072) = 0.63 w
对于环境温度，T一个， 25°C，让我们来比较TJ三个套餐:
TJ(儿子)+(58.3°c / w × 0.63 w) = 61.73°c
TJ (SOT223)= 25℃+(53.1℃/ w × 0.63 w) = 58.45℃
TJ (SOT23)= 25°c +(205.9°c / w × 0.63 w) = 154.72°c
前两个封装的结温在推荐的工作温度范围内，但TJ (SOT23)大大超过最高温度。事实上，当温度接近(160°C)时，激活TPS732的热保护电路是很危险的。
热保护电路是LDO的标准特性:当激活时，它会禁用输出，保护LDO不受过热损坏，并让它冷却。对于TPS732，当TJ冷却到140°C左右，热保护电路关闭，TPS732恢复为负载提供电流。
如果条件不变，该部件将再次升温，最终重新启动热保护。LDO将继续在某个频率振荡，这是热保护滞后、功耗和其他变量的函数。上面的计算是LDO设计的一个标准部分，通常会迫使转换到一个更热高效的封装。
设计师还可以采取哪些措施来降低温度上升，避免热停机?降低LDO和PCB之间的热阻是另一个合理的策略。如果LDO有散热垫，则应将其焊接到地平面或连接到散热片上。大部分热量通过引脚离开LDO，因此增加输入、输出和接地面的尺寸也会降低热阻。大多数数据表为德州仪器的LDOs包含详细的热分析和布局建议。
最后，可以减小P的值D通过增加一个功率电阻RP与LDO输入串联。电阻降低LDO输入引脚处的输入电压，因此必须在功率晶体管上耗散的功率。对于输入电流I在， LDO输入引脚处的电压减小(V在——我在×RP）.
两个注意事项:
- 电阻器必须能够耗散功率PRP由最坏情况电流(PRP=我(最大)2×RP）
- R上的电压降P当我(最大)通过它的流必须使LDO输入高于监管所需的最小值:即V在> V出+ V做．
当一切出错时:过载保护电路
上面讨论的设计技术是必要的，但不是充分的。正如我们在前一节中看到的，LDO的温度取决于PD，它又很大程度上依赖于电流I出提供给负载。如果负载需要的电流超过LDO设计提供的电流，或在异常情况下，如短路负载，LDO还包含内部电路，以限制电流到一个预定义的值，防止灾难。
4.当负载电流超过设限值时，LDO“砖墙”限流器关闭LDO输出。(来源:TI博客:“LDO基础:电流极限”，图1）
图4给出了标准的LDO限流电路。它的工作原理是测量输出电流，将其缩放，并将缩放后的电流与内部参考电流I进行比较裁判表示允许的最大值。如果缩放输出电流超过I裁判时，它触发比较器，比较器关闭输出，电压降至零。这种类型的电路通常被称为“砖墙”电流限制。
另一个策略是限制LDO可以提供的最大电流到一个固定值I限制与输出电压无关。V出设备在限流状态下不被调节:V出=我限制×R负载．如果负载短，功率晶体管必须足够大消散(V在×我限制)，或者至少直到热保护电路被激活。
5.两种限流方式:砖墙式(a)和折叠式(b)。TI博客:“LDO基础:当前极限”，图2,3）
折回限流是第三种策略，其目标是限制总功耗而不是输出电流。这种方法保持输出晶体管在其安全功耗限制内减少输出电流限制线性而V出减少和V在仍然是稳定的。这种方法的优点是，折回电流小于I限制因此，功率晶体管必须耗散更少的功率，降低损坏的风险。图5比较了砖墙波形和折回波形。
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