01 基本概念
請先閱讀熱設計詳細文章:IC與器件的熱設計
著重了解以下的幾個概念:
① 工作結溫Tj(Operating Junction Temperature Range)工作狀態時內核溫度,一般的IC結溫范圍在(-40~125℃)或(-40~80℃)。
② 環境熱阻系數(θJA)指內核到外部環境(空氣)的熱阻系數。
③ 封裝熱阻系數(θJC)指內核到封裝表面的熱阻系數。
④ φJT-內核到封裝上表面中心點的熱阻。
Tj==Ta+( θJA × P ) = Tc+( θJC × P )=Tt+(φJT x P),其中Ta為環境溫度,Tc為封裝表面溫度,Tt為封裝表面中心點的溫度,P為IC耗散功率,即結溫等于環境溫度+環境中熱阻系數*功率,或者等于封裝表面溫度+內核到封裝表面熱阻系數數*功率,或者等于封裝表面中心點溫度+內核到封裝上表面中心點的熱阻*功率。
02 LDO的熱性能與什么有關?
由基本概念我們可以得出:LDO的熱性能與封裝、功率、運行環境溫度有關。下面我們舉例分析。
我們以薩科微公司的AMS1117-3.3為例,其數據手冊提供的封裝熱阻系數如下:
圖1 SOT-89封裝
可以看出不同的封裝熱阻系數不同,由Tj==Ta+( θJA × P )得出,相同功率下,熱阻系數越小,內核溫度越低,也就越安全。同理可以得出,功率越小、環境溫度越低內核越安全。
03 如何進行熱設計?
例如,TO-252封裝的AMS1117-3.3輸入電壓5V,輸出功率1A,如上圖他的θJA為125℃/W,則其消耗功率P=(5-3.3)*1=1.7W,溫升=θJA × P=125*1.7=212.5℃,即在常溫下內核溫度等于212.5+25=237.5℃,遠高于其內核最高溫度125℃,意味著LDO會損壞。反過來計算,I=(內核最高溫度-空氣溫度)/空氣熱阻/壓差Vdrop,即在5V輸入電壓、常溫環境下,長時間輸出電流不能大于(125-25)/125/(5-3.3)=0.47A,即電流不能超過0.47A。
考慮到PCB空間,實際可能使用體積比TO-252更小的SOT223或SOT89封裝,此時的長時間工作電流要更小,需要權衡使用。
以上是用θJA 估算的熱性能參數,實際上另外還有多種方式,但由于很多數據手冊并不會給出φJT或θJC參數,所以用θJA更方便,如果數據手冊給出了另外的參數,可以點擊參考:IC與器件的熱設計來計算,會更精確。
04 LDO發熱影響哪些參數?
① 負載調整率
發熱會影響LDO的負載調整率
② 反饋引腳FB的消耗電流
發熱會影響LDO反饋引腳(FB或者ADJ)的消耗電流,即會影響最終的輸出電壓準確度。
③ 電壓調整率(線性調整率)
發熱會影響LDO的線性調整率
④ 壓差Vdrop
發熱會影響LDO的壓差Vdrop,參考前一篇文章
⑤ 地電流、關斷電流、關斷電流
LDO電流相關概念后面文章介紹
05 如何提高LDO的熱性能?
①選擇合適的封裝,在PCB空間允許的情況下盡量選取大封裝LDO。
②降低輸入與輸出壓差,在滿足LDO最低工作壓降的情況下,可以在電源Vin與LDO輸入引腳之間串聯一個功率合適的電阻消耗部分電壓。同理也可以串聯一個二極管。當然無論串聯電阻還是二極管,他們自身的功率耗散也是要考慮的。
圖2 串聯1Ω電阻消耗1W功率
③ 有必要的情況下可以在LDO表面貼裝散熱器。
④ 做好PCB散熱,LDO布局時遠離其他發熱器件;增大LDO接地平面、Vin、Vout平面的面積