LDO基础(三)-LDO的热设计

01 基本概念 

        请先阅读热设计详细文章:IC与器件的热设计

        着重了解以下的几个概念:

        ① 工作结温Tj(Operating Junction Temperature Range)工作状态时内核温度,一般的IC结温范围在(-40~125℃)或(-40~80℃)。

        ② 环境热阻系数(θJA)指内核到外部环境(空气)的热阻系数。

        ③ 封装热阻系数(θJC)指内核到封装表面的热阻系数。

        ④ φJT-内核到封装上表面中心点的热阻。

        Tj==Ta+( θJA × P ) = Tc+( θJC × P )=Tt+(φJT x P),其中Ta为环境温度,Tc为封装表面温度,Tt为封装表面中心点的温度,P为IC耗散功率,即结温等于环境温度+环境中热阻系数*功率,或者等于封装表面温度+内核到封装表面热阻系数数*功率,或者等于封装表面中心点温度+内核到封装上表面中心点的热阻*功率

02 LDO的热性能与什么有关? 

         由基本概念我们可以得出:LDO的热性能与封装、功率、运行环境温度有关。下面我们举例分析。

        我们以萨科微公司的AMS1117-3.3为例,其数据手册提供的封装热阻系数如下:

图1 SOT-89封装

    可以看出不同的封装热阻系数不同,由Tj==Ta+( θJA × P )得出,相同功率下,热阻系数越小,内核温度越低,也就越安全。同理可以得出,功率越小、环境温度越低内核越安全。

      

03 如何进行热设计? 

         例如,TO-252封装的AMS1117-3.3输入电压5V,输出功率1A,如上图他的θJA为125℃/W,则其消耗功率P=(5-3.3)*1=1.7W,温升=θJA × P=125*1.7=212.5℃,即在常温下内核温度等于212.5+25=237.5℃,远高于其内核最高温度125℃,意味着LDO会损坏。反过来计算,I=(内核最高温度-空气温度)/空气热阻/压差Vdrop,即在5V输入电压、常温环境下,长时间输出电流不能大于(125-25)/125/(5-3.3)=0.47A,即电流不能超过0.47A。

      考虑到PCB空间,实际可能使用体积比TO-252更小的SOT223或SOT89封装,此时的长时间工作电流要更小,需要权衡使用。

      以上是用θJA 估算的热性能参数,实际上另外还有多种方式,但由于很多数据手册并不会给出φJT或θJC参数,所以用θJA更方便,如果数据手册给出了另外的参数,可以点击参考:IC与器件的热设计来计算,会更精确。

04 LDO发热影响哪些参数?  

    ① 负载调整率

        发热会影响LDO的负载调整率

    ② 反馈引脚FB的消耗电流

        发热会影响LDO反馈引脚(FB或者ADJ)的消耗电流,即会影响最终的输出电压准确度。

    ③ 电压调整率(线性调整率)

        发热会影响LDO的线性调整率

    ④ 压差Vdrop

        发热会影响LDO的压差Vdrop,参考前一篇文章

    ⑤ 地电流、关断电流、关断电流

        LDO电流相关概念后面文章介绍

05 如何提高LDO的热性能?  

        ①选择合适的封装,在PCB空间允许的情况下尽量选取大封装LDO。

        ②降低输入与输出压差,在满足LDO最低工作压降的情况下,可以在电源Vin与LDO输入引脚之间串联一个功率合适的电阻消耗部分电压。同理也可以串联一个二极管。当然无论串联电阻还是二极管,他们自身的功率耗散也是要考虑的。

图2 串联1Ω电阻消耗1W功率

        ③ 有必要的情况下可以在LDO表面贴装散热器。

        ④ 做好PCB散热,LDO布局时远离其他发热器件;增大LDO接地平面、Vin、Vout平面的面积

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