LDO的基礎特性——熱關斷

LDO的基礎特性——熱關斷

8號線攻城獅 發表於 2020-12-01 17:30:59

 1、前言

若將熱性能納入考量，可以進一步提高應用的性能。低壓降穩壓器 （LDO） 的特性是通過將多餘的功率轉化為熱量來實現穩壓，因此，該集成電路非常適合低功耗或 VIN 與 VOUT 之差較小的應用。考慮到這一點，選擇採用適當封裝的適當 LDO 對於最大程度地提高應用性能至關重要。這一點正是令設計人員感到棘手之處，因為最小的可用封裝並不總能符合所需應用的要求。

2、熱性能信息

選擇 LDO 時要考慮的最重要特性之一是其熱阻 （RθJA）。RθJA 呈現了 LDO 採用特定封裝時的散熱效率。RθJA 值越大，表示此封裝的散熱效率越低，而值越小，表示器件散熱效率越高。

封裝尺寸越小，RθJA 值通常越大。例如，TPS732 根據封裝不同而具有不同的熱阻值：小外形電晶體 （SOT）-23 （2.9mm x 1.6mm） 封裝的熱阻為 205.9°C/W，而 SOT-223 （6.5mm x 3.5mm） 封裝的熱阻為 53.1°C/W。這意味著 TPS732 每消耗 1W 功率，溫度就會升高 205.9°C 或 53.1°C。這些值可參見器件數據表的「熱性能信息」部分，如表 1 所示。

表 1：不同封裝對應的熱阻

3、是否選擇了適合的封裝？

建議的 LDO 工作結溫介於 -40°C 至 125°C 之間；同樣，可以在器件數據表中查看這些值，如表 2 所示。

表 2 建議的工作條件

這些建議的溫度表示器件將按數據表中「電氣特性」表所述工作。可以使用公式 1 確定哪種封裝將在適當的溫度下工作。

公式 1 TJ = TA + （RθJA × PD ）

PD =［（VIN − VOUT）× IOUT］+（VIN × Iground）

其中 TJ 為結溫，TA 為環境溫度，RθJA 為熱阻（取自數據表），PD 為功耗，Iground 為接地電流（取自數據表）。

下面給出了一個簡單示例，使用 TPS732 將 5.5V 電壓下調至 3V，輸出電流為 250mA，採用 SOT-23 和 SOT-223 兩種封裝。

PD=［（5.5V-3V） x 250mA］ + （5.5V x 0.95mA） = 0.63W

SOT-23： TJ = 25°C + （205.9°C/W x 0.63W） = 154.72°C

SOT-223： TJ = 25°C + （53.1°C/W x 0.63W） = 58.45°C

4、熱關斷

結溫為 154.72°C 的器件不僅超過了建議的溫度規範，還非常接近熱關斷溫度。關斷溫度通常為 160°C；這意味著器件結溫高於 160°C 時會激活器件內部的熱保護電路。此熱保護電路會禁用輸出電路，使器件溫度下降，防止器件因過熱而受到損壞。

時會激活器件內部的熱保護電路。此熱保護電路會禁用輸出電路，使器件溫度下降，防止器件因過熱而受到損壞。

當器件的結溫降至 140°C 左右時，會禁用熱保護電路並重新啟用輸出電路。如果不降低環境溫度和/或功耗，器件可能會在熱保護電路的作用下反覆接通和斷開。如果不降低環境溫度和/或功耗，則必須更改設計才能獲得適當的性能。

一種比較明確的設計解決方案是採用更大尺寸的封裝，因為器件需要在建議的溫度下工作。

5、下文介紹了有助於最大程度地減少熱量的一些提示和技巧

5.1 增大接地層、VIN 和 VOUT 接觸層的尺寸

當功率耗散時，熱量通過散熱焊盤從 LDO 散出；因此，增大印刷電路板 （PCB） 中輸入層、輸出層和接地層的尺寸將會降低熱阻。如圖 1 所示，接地層通常儘可能大，覆蓋 PCB 上未被其他電路跡線佔用的大部分區域。該尺寸設計原則是由於許多元件都會生成返回電流，並且需要確保這些元件具有相同的基準電壓。最後，接觸層有助於避免可能會損害系統的壓降。大的接觸層還有助於提高散熱能力並最大限度地降低跡線電阻。增大銅跡線尺寸和擴大散熱界面可顯著提高傳導冷卻效率。

在設計多層 PCB 時，採用單獨的電路板層（包含覆蓋整個電路板的接地層）通常是個不錯的做法。這有助於將任何元件接地而不需要額外跡線。元件引腳通過電路板上的孔直接連接到包含接地平面的電路板層。

圖 1：SOT-23 封裝的 PCB 布局

5.2 安裝散熱器

散熱器會降低 RθJA，但會增大系統尺寸、增加系統成本。選擇散熱器時，底板的尺寸應與其所連接的器件的尺寸相似。這有助於在散熱器表面均勻散熱。如果散熱器尺寸與其所連接器件表面的尺寸不盡相同，熱阻會增大。

考慮到封裝的物理尺寸，SC-70 （2mm × 1.25mm） 和 SOT-23 （2.9mm × 1.6mm） 等封裝通常不與散熱器搭配使用。另一方面，可以將電晶體外形 （TO）-220 （10.16mm × 8.7mm） 和 TO-263 （10.16mm × 9.85mm） 封裝與散熱器搭配使用。

圖 2 顯示了四種封裝之間的差異。

圖 2：封裝差異

可以在輸入電壓側串聯電阻，以便分擔一些功耗；圖 3 所示為相關示例。該技術的目標是使用電阻將輸入電壓降至可能的最低水平。

圖 3：串聯連接的電阻

由於 LDO 需要處於飽和狀態以進行適當調節，可以通過將所需的輸出電壓和壓降相加來獲得最低輸入電壓。公式 2 表示了 LDO 的這兩種屬性的計算方式：

公式 2

VIN − ［（IOUT + Iground ）xRmax ］ = VOUT + Vdropout

Rmax =（VIN − VOUT − Vdropout）/（IOUT + Iground）

使用 TPS732 示例中的條件（輸出 250mA 電流，將 5.5V 調節至 3V），可以使用公式 3 計算電阻的最大值以及該電阻消耗的最大功率：

PD（Rmax ） = （IOUT + Iground ）^2 xRmax

選擇適合的電阻，確保不會超過其「額定功耗」。此額定值表示在不損壞自身的情況下電阻可以將多少瓦功率轉化為熱量。

因此，如果 VIN = 5.5V、VOUT = 3V、Vdropout = 0.15V（取自數據表）、IOUT = 250mA 且 Iground = 0.95mA（取自數據 表），則：

Rmax = （5.5V − 3V − 0.15V）/（250mA + 0.95mA）=9.36Ω

PD（Rmax ） = （250mA + 0.95mA）2 x9.36Ω = 0.59W

5.3 布局

如果 PCB 上的其他發熱器件與 LDO 的距離非常近，這些器件可能會影響 LDO 的溫度。為避免溫度上升，請確保將 LDO 放在儘可能遠離發熱器件的位置。

對於特定應用，可以通過許多方法實現高效、尺寸適當且成本低的散熱解決方案。關鍵在於早期設計階段為確保所有選件都可用而需要考慮的各種注意事項。對於散熱而言，選擇適合的元件並不是一項簡單的任務，但選用適合的器件和技術將有助於設計過程成功完成。

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