問題:我更換了一個更新、更好的元件,具有更低的電流損耗。結果發生故障,新元件甚至被燒毀。請問這一個現象應該如何解釋呢?

答案:線性穩壓器是相當簡單的元件,並沒有太多挑戰。儘管如此,偶爾還是會遇到麻煩。

我擔任現場應用工程師時,有時客戶會請我推薦替代其他供應商的元件。在許多情況下,元件的替換是由客戶的生產、採購團隊所決定的,而原來的電路設計者可能並不知道這個變更。決策過程相當簡單:替換元件應當具有相同的功能、封裝和接腳配置,以及與被替換元件同等甚至更好的電氣規格。

只要滿足所有這些要求,就可向元件工程師提供必要的比較數據,將新元件添加到材料清單中,作為第二供應商備選件。當這些都完成後,應當是大功告成了。但事實上,使用舊元件正常工作的產品在替換為備選件後,在生產線上卻開始失效了,究竟是哪裡出了問題?

我曾參與解決這樣一個案例,我們遵循上述流程,在客戶設計中,將一個隔離式RS-485收發器作為另一供應商元件的第二供應商。兩個元件形狀、尺寸和功能相容,而我們的元件具有更好的電氣規格。客戶隨後向我們的這款元件大量下訂,這似乎沒有任何理由出錯。然而,客戶報告說,新的RS-485收發器在生產測試台上開始失效。由於設計中沒有任何別的改變,所以,一定是圖中的新元件出錯了。

經過進一步調查,我們發現為收發器匯流排側供電的線性穩壓器未按預期穩壓至5V,而是上升到更高的電壓。我們不得不仔細檢查、比較舊收發器和替換元件的產品手冊,以及線性穩壓器的產品手冊,以了解是哪裡出錯了。

「更好」是一個定性術語,具體取決於所討論的參數。例如,當涉及速度、CMRR、PSRR時,越高越好;當涉及偏置電壓、漂移時,越低越好;您不需要太多工程知識就知道功耗總是越低越好。但是,真的是這樣嗎?在這個特殊的案例中,並非如此。舊款收發器閒置狀態下在匯流排側消耗15mA (典型值)電流,而新元件僅消耗2mA (最大值)。毫無疑問的,新元件在數據上看起來更好。不幸的是,線性穩壓器似乎失常了。

正如本文一開始所提到的,線性穩壓器相當簡單,並沒有太多要求。然而,它的一個特殊要求是需要最小負載電流才能正常工作。如果這一需求沒有被滿足,穩壓器將無法正常穩壓,輸出電壓超出範圍。如果穩壓器的輸入電壓遠高於期望的輸出電壓,情況將變得更差。

許多現代線性穩壓器在設計中特別注意了這個問題,因而不會產生故障。一些舊元件(如本案中客戶設計所用的元件)沒有考慮此點,因此在系統設計時需要額外的預防措施。某些情況下,可調輸出LDO的反饋電阻網路負責最小負載電流。

遺憾的是,如果決定大幅提高電阻,同時保持相同比值,很可能無意中闖禍。還有另外一種情況,即由LDO供電的元件在正常工作期間滿足負載要求,而在待機狀態下則不行。這些都是需要注意的潛在缺陷,因此請務必仔細閱讀LDO產品手冊。如果有最小負載電流要求,通常以某種形式體現出來。下面是幾個示例:

圖1:數據手冊中的最小負載電流實例

圖2:左邊線路圖—採用舊元件的穩壓器正常工作(滿足最小負載電流要求)。右邊線路圖—採用新元件的穩壓器不穩定(負載電流不足)

回到我們的故事 —— 一旦了解了問題產生的根本原因,那麼修復就相當簡單。我們必須要做的,就是在調節器輸出端加一個洩放電阻,以消耗最小負載電流。雖然不理智的客戶很容易將問題簡單地歸咎於我們的元件,但本例中的客戶看到了積極的一面,很高興能從這一案例中學習到新技術。

圖3:增加一個洩放電阻滿足最小負載電流要求後,問題解決了。

有如童話中的完美結局——雖然有所犧牲,但最終每個人都過著幸福快樂的生活。