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Dropout-Rechner für LDO-Linearregler

Berechnen Sie die Verlustleistung des LDO-Reglers, den Anstieg der Sperrschichttemperatur, die minimale Eingangsspannung, den Wirkungsgrad und den Spielraum für das lineare Reglerdesign

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Formel

PD=(Vin−Vout)×Iload,η=Vout/Vin×100P_D = (V_in − V_out) × I_load, η = V_out / V_in × 100%
V_in— Eingangsspannung (V)
V_out— Ausgangsspannung (V)
I_load— Strom laden (A)
V_DO— Dropout-Spannung (V)
θ_JA— Thermischer Widerstand (°C/W)

Wie es funktioniert

Der lineare Reglerausfallrechner bestimmt die Mindesteingangsspannung, die Verlustleistung und den Wirkungsgrad von Spannungsregelkreisen — unverzichtbar für die Filterung von Reglern nach dem Schalten, für präzise Spannungsreferenzen und für rauschempfindliche Instrumente. Entwickler von Stromversorgungen, Ingenieure für Analogtechnik und Embedded-Entwickler verwenden dieses Tool, um eine ausreichende Kopffreiheit zu gewährleisten und gleichzeitig Wärmeverluste zu minimieren. Laut Horowitz & Hills „The Art of Electronics“ (3. Aufl.) leiten Linearregler überschüssige Spannung als Wärme ab: Pdiss = (Vin - Vout) × Iload, wodurch ein maximaler Wirkungsgrad von η = Vout/Vin erreicht wird. Bei der klassischen LM7805-Serie (fester 5-V-Ausgang) liegt die Ausfallspannung laut Datenblatt von ON Semiconductor bei 2 bis 2,5 V, sodass Vin ≥ 7 V für eine garantierte Regelung erforderlich ist. Moderne LDO-Regler (Low Dropout) reduzieren diesen Wert auf 50-300 mV mithilfe von PMOS-Pass-Transistoren mit Rds (on) < 0,5 Ω. Gemäß TI-Anwendungshinweis SLVA079 steigt die Dropout-Spannung ungefähr linear mit dem Laststrom an: Vdropout ≈ Rds (on) × Iload. Die interne Referenzgenauigkeit (typischerweise ± 1-2%) und die Leitungs- und Lastregulierung (Variation von 5-50 mV) bestimmen die Stabilität der Ausgangsspannung unter unterschiedlichen Bedingungen.

Rechenbeispiel

Entwerfen Sie eine Nachreglerstufe mit linearer Regelung nach einem Abwärtswandler. Anforderungen: Wandeln Sie den 5-V-Abwärtsausgang in 3,3 V als ADC-Referenz um, 50-mA-Last, <50 µV Ausgangsrauschen. Schritt 1: Wählen Sie den Reglertyp LM317 (1,5 V Dropout); unzureichender Spielraum bei 5-V-Eingangstransienten. Verwenden Sie den LDO: TI TPS7A4901 (250 mV Dropout, 15 µV RMS-Rauschen). Schritt 2: Überprüfen Sie den Headroom — Bei 50 mA: Vdropout = 90 mV typisch, 250 mV max. Vin_min = 3.3 + 0.25 = 3.55 V (5-V-Eingang bietet eine Marge von 1,45 V). Schritt 3: Leistung berechnen — Pdiss = (5 — 3,3) × 0,05 = 85 mW. SOT-23-5-Paket ( (θJA = 180°C/W) : ΔTj = 15°C — kein Kühlkörpererforderlich. Schritt 4: Überprüfen Sie das Rauschen — TPS7A4901:15 µV RMS (10 Hz — 100 kHz) bei korrekter Entkopplung. Verwenden Sie Keramik mit 10 µF + 0,1 µF am Eingang/Ausgang. Schritt 5: PSRR überprüfen — 70 dB bei 1 kHz dämpfen AbwärtswandlerDie Restwelligkeit von 30 mV auf 9 µV am Ausgang.

Praktische Tipps

  • ✓Gemäß AN-1072 von Analog Devices zwei LDOs kaskadieren, um eine extrem geräuscharme Leistung zu erzielen: Die erste Stufe bietet 20 dB PSRR, die zweite Stufe erhöht 60 dB und erreicht so eine Gesamtunterdrückung von >80 dB bei Schaltgeräuschen
  • ✓Verwenden Sie einstellbare LDOs (TPS7A49, LT3045) mit 0,1% Präzisionswiderständen für eine Ausgangsspannungsgenauigkeit von besser als ± 1% — Festspannungs-LDOs spezifizieren in der Regel eine Toleranz von ± 2-3%
  • ✓Fügen Sie am Einstellpin einen Softstartkondensator hinzu, um den Einschaltstrom zu begrenzen — 100 nF sorgen für eine Startrampe von 1—10 ms und schützen vor einem Spannungsabfall bei begrenzter Quellenimpedanz

Häufige Fehler

  • ✗Standardregler mit LDOs verwirrend — LM7805 benötigt mindestens 2 V Headroom (Vin ≥ 7 V), während moderne LDOs (ADP3338) mit nur 190 mV Dropout bei 1 A arbeiten
  • ✗Der Innenwiderstandseffekt wird ignoriert — Dropout = Rds (on) × Iload; ein 0,3 Ω LDO weist bei 500 mA einen Abfall von 150 mV auf, bei 1,5 A jedoch 450 mV, was möglicherweise den spezifizierten Wert überschreitet
  • ✗Bei unzureichender Eingangsentkopplung — gemäß TI SLVA115 benötigen LDOs einen Eingangskonkondensator von 1—10 µF in einem Abstand von 10 mm, um Oszillationen zu verhindern; ESR <1 Ω für Keramik oder 0,5-5 Ω für Tantal

Häufig gestellte Fragen

Die Dropout-Spannung ist die Mindestdifferenz zwischen Vin und Vout, um die Regelung innerhalb der angegebenen Ausgangstoleranz aufrechtzuerhalten. Gemäß dem Anwendungshinweis von ON Semiconductor stellt sie die Spannung am Durchlasstransistor bei Sättigung dar (PMOS: Rds (on) × Iload, NPN: Vce (sat)). Unterhalb des Dropout-Werts fällt die Ausgangsspannung proportional zum Eingang ab, und der PSRR sinkt auf 0 dB.
Ein niedriger Dropout ermöglicht: (1) eine längere Akkulaufzeit — 200 mV weniger Dropout entzieht Lithium-Ionen-Zellen zusätzliche 5-10% Batteriekapazität, (2) geringere Verlustleistung — bei 1 A sparen 200 mV weniger Dropout 200 mW an Wärme ein, (3) kaskadierte Regelung — ermöglicht nachträgliche Stufen ohne übermäßigen Spannungsbudget. Laut TI erreichen moderne Ultra-LDOs einen Stromausfall von 50 mV bei 1 A.
Vin_min = Vout + Vdropout + Vmargin (typischerweise 100-200 mV). Verwenden Sie die maximale Dropout-Spezifikation bei Betriebsstrom und Betriebstemperatur. Beispiel: 3,3 V Ausgangsspannung, max. 200 mV Abfall, 150 mV-Spielraum → Vin_min = 3.65 V. Für Batterieanwendungen berechnen Sie die Batteriespannung am Ende der Entladung und vergewissern Sie sich, dass Vin_min erreichbar ist.
Pdiss = (Vin - Vout) × Iload + Vout × Iq, wobei Iq der Ruhestrom ist (typischerweise 1 µA — 5 mA). Bei hohem Laststrom dominiert die Laufzeit von Iload. Beispiel: 12 V bis 5 V bei 500 mA: Pdiss = 7 V × 0,5 A = 3,5 W — erfordert einen erheblichen Kühlverlust ( (θJA < 15°C/W für einen sicheren Betrieb bei 85 °C (Umgebungstemperatur).
Gemäß der Auswahlhilfe für die Stromversorgungstopologie von TI: Linearregler verwenden, wenn (1) Wirkungsgrad > 80% akzeptabel (Vout/Vin > 0,8), (2) geräuscharm (<100 µV), (3) Einfachheit/Kostenpriorität, (4) wenig Platz auf der Leiterplatte (<0,5 cm²). 0 0) verwenden, wenn (1) der Wirkungsgrad entscheidend ist (Akkulaufzeit), (2) Vin >> Vout (>2×), (3) Leistung > 2 W. Hybridansatz: Schaltregler und LDO-Nachregler sorgen für Effizienz und geringen Geräuschpegel.

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