LDO 基礎(chǔ)知識(shí)：散熱 – 我們的應(yīng)用有多熱？

1.前言

低壓差 (LDO) 穩(wěn)壓器的本質(zhì)是通過將多余的功率轉(zhuǎn)化為熱量來調(diào)節(jié)電壓，使該集成電路成為低功率或小 V IN至 V OUT差分應(yīng)用的理想解決方案。考慮到這一點(diǎn)，選擇合適的 LDO 和合適的封裝對(duì)于最大限度地提高應(yīng)用程序的性能至關(guān)重要。這是一些設(shè)計(jì)師做噩夢(mèng)的地方，因?yàn)樽钚〉目捎梅庋b并不總是適合所需的應(yīng)用程序。

選擇 LDO 時(shí)要考慮的最重要特性之一是其熱阻 (R θJA )。此功能說明了 LDO 在特定封裝中散熱的效率。較高的 R θJA值表明封裝在傳熱方面不是很有效，而較低的值表明器件更有效地傳熱。

對(duì)于較小的封裝，R θJA通常會(huì)更高。例如，TPS732 根據(jù)其封裝具有不同的熱阻值：小外形晶體管 SOT-23（2.9mm x 1.6mm）封裝熱阻為 205.9°C/W，而 SOT-223（6.5mm x 3.5mm) 封裝的 53.1°C/W。這意味著 TPS732 每耗散 1W 溫度將升高 205.9°C 或 53.1°C。我們可以在器件數(shù)據(jù)表的熱信息下找到這些值，如表 1 所示。

表 1：不同封裝的熱阻

2.你有合適的封裝嗎？

LDO 的推薦工作結(jié)溫介于 -40°C 至 125°C 之間；同樣，我們可以在各自的數(shù)據(jù)表中檢查這些值，如表 2 所示。

表 2 : 推薦的工作溫度

這些推薦溫度意味著器件將按照數(shù)據(jù)表的電氣特性表中的規(guī)定運(yùn)行。我們可以使用公式 1 來確定哪個(gè)封裝將在合適的溫度下運(yùn)行：

公式 1：結(jié)溫公式

其中 T J是結(jié)溫，

T A是環(huán)境溫度，

R θJA是熱阻（來自數(shù)據(jù)表），

P D是功耗和

I ground是接地電流（來自數(shù)據(jù)表）。

這是一個(gè)使用 TPS732 將 5.5V 電壓降至 3V、提供 250mA 電流并同時(shí)使用 SOT-23 和 SOT-223 封裝的快速示例。

3.熱關(guān)斷

結(jié)溫為 154.72°C 的器件不僅超出了推薦的溫度規(guī)格，而且還非常接近熱關(guān)斷溫度。關(guān)斷溫度通常為 160°C；這意味著如果器件的結(jié)溫高于 160°C，則器件的內(nèi)部熱保護(hù)電路被激活。該熱保護(hù)電路禁用輸出電路，允許設(shè)備冷卻并保護(hù)其免受過熱損壞。當(dāng)器件的結(jié)溫冷卻到 140°C 左右時(shí)，熱保護(hù)電路將被禁用并再次重新啟用輸出電路。如果我們不降低環(huán)境溫度和/或耗散功率，則設(shè)備可能會(huì)由于熱保護(hù)電路而出現(xiàn)開關(guān)振蕩。

一種明確的設(shè)計(jì)解決方案是使用更大的封裝，因?yàn)樗谕扑]的溫度下運(yùn)行。

以下是一些減少熱量的提示和技巧。

4.增加接地、V IN和 V OUT接觸面

當(dāng)功率耗散時(shí)，熱量通過導(dǎo)熱墊從 LDO 逸出；因此，增加印刷電路板 (PCB) 中輸入、輸出和接地平面的尺寸將降低熱阻。如下圖 1 所示，地平面通常盡可能大，并覆蓋大部分未被其他電路走線占用的 PCB 區(qū)域。這個(gè)尺寸指南是由于來自許多組件的返回電流，并確保這些組件處于相同的參考電位。最終，接觸面有助于避免可能損害系統(tǒng)的電壓降。大平面還有助于提高散熱能力并最大限度地減少走線電阻。增加銅走線尺寸和改善熱界面顯著提高了傳導(dǎo)冷卻效率。

圖 1： SOT-23 封裝的 PCB 布局

在設(shè)計(jì)多層 PCB 時(shí)，使用接地層覆蓋整個(gè)電路板的單獨(dú)層通常是個(gè)好主意。這有助于我們將任何組件接地，而無需額外走線。元件引線通過板上的孔直接連接到包含接地層的層。

5.安裝散熱器

散熱器會(huì)降低 R θJA，但會(huì)增加系統(tǒng)的尺寸和成本。選擇散熱器時(shí)，底板的尺寸應(yīng)與其連接的設(shè)備相似。這將有助于在散熱器表面均勻分布熱量。如果散熱器尺寸與其所連接的表面尺寸不同，則熱阻會(huì)增加。

由于其物理尺寸，像 SC-70（2 毫米 x 1.25 毫米）和 SOT-23（2.9 毫米 x 1.6 毫米）這樣的封裝并不經(jīng)常與散熱器一起使用。另一方面，我們可以將 TO-220（10.16mm x 8.7mm）和 TO-263（10.16mm x 9.85mm）等封裝與散熱器配對(duì)。下面的圖 2 顯示了四種封裝之間的差異。

圖 2：封裝差異

我們可以將一個(gè)電阻與輸入電壓串聯(lián)，以分擔(dān)一些耗散功率，下面的圖 3 顯示了一個(gè)示例。此技術(shù)的目標(biāo)是使用電阻將輸入電壓降至最低輸入電壓可能。

圖 3：串聯(lián)配置的電阻器

由于 LDO 需要停留在飽和區(qū)才能正常調(diào)節(jié)，我們可以通過將所需的輸出電壓加上壓降來獲得最小輸入電壓。公式 2 表示這兩個(gè) LDO 屬性的設(shè)置：

公式 2：最大電阻公式

使用 TPS732 示例中的條件（使用 250mA 將 5.5V 調(diào)節(jié)到 3V），我們可以使用下面的公式 3 來計(jì)算電阻的最大值及其可以耗散的最大功率：

公式 3：最大功耗公式

確保選擇一個(gè)電阻器，以免超過其“耗散功率額定值”。額定值表示電阻器可以在不損壞自身的情況下轉(zhuǎn)化為熱量的瓦數(shù)。

所以如果 V IN = 5.5V，

V OUT = 3V，

V DROPOUT = 0.15V（來自數(shù)據(jù)表），

I OUT = 250mA 和

I GROUND = 0.95mA（來自數(shù)據(jù)表），然后：

6.PCB布局

如果 PCB 上的其他發(fā)熱設(shè)備非?？拷?LDO，它們可能會(huì)影響 LDO 的溫度。為避免溫度升高，請(qǐng)確保將 LDO 放置在盡可能遠(yuǎn)離那些發(fā)熱設(shè)備的位置。

7.結(jié)論

有很多方法可以為應(yīng)用程序執(zhí)行高效、注重尺寸和低成本的散熱解決方案。關(guān)鍵在于早期設(shè)計(jì)考慮，以便讓所有選項(xiàng)都可用。在管理熱考慮因素時(shí)，選擇合適的組件并非易事，但正確的設(shè)備和技術(shù)將有助于成功的設(shè)計(jì)過程。