關(guān)于車用36V低耗電LDO與熱處理問題的分析和介紹

汽車是一個相當(dāng)復(fù)雜的可運動實體，它內(nèi)部各處可能的溫度范圍是完全不同的，給人的感受也完全不一樣。我很不喜歡在行車以后打開引擎蓋，撲面而來的熱流讓我覺得很不舒服，但是呆在車廂里就是我很喜歡的狀態(tài)，即使是在陽光照耀之下，我也常常關(guān)著車窗就在車?yán)锼X，因為我的車頂天窗裝有一塊太陽能電池，它在車輛處于駐車狀態(tài)時會主動驅(qū)動換氣扇給車內(nèi)送入新風(fēng)，根本不用擔(dān)心悶死人的狀況會發(fā)生在我身上。

按照權(quán)威機構(gòu)提供的信息，汽車內(nèi)部各處的可能溫度范圍如下表所示：

為了滿足各種不同溫度級別的需要，各種針對元器件的認(rèn)證級別也就誕生了：

在溫度范圍越寬的地方，對所用產(chǎn)品品質(zhì)的管控也會越嚴(yán)格，需要采取的措施也會越多，所以，即使簡單如 LDO，產(chǎn)品也會分出不同的級別來。

上期文章已經(jīng)提到符合車規(guī)的 36V、2μA 耗電線性穩(wěn)壓器有兩個型號，RT2560Q 和 RTQ2569-QA，負(fù)載能力都是 100mA，認(rèn)證級別分別為 AEC-Q100 Grade 3 和 Grade 1，也就是說 RT2560Q 可以在 -40℃~85℃ 范圍內(nèi)正常使用，RTQ2569-QA 可以在 -40℃~125℃ 范圍內(nèi)正常使用，用戶可以根據(jù)自己的需要進行選擇，它們的成本不一樣，帶給用戶的保障也會不同。

RT2560Q 在電路圖上是一副三端穩(wěn)壓器的樣子：

它的封裝卻很奢侈，為帶有外露式散熱焊盤的 SOP-8，其外觀及引腳分布如下圖所示：

RT2560Q 的封裝和引腳分布

RTQ2569-QA 則使用了 WDFN 封裝，平面尺寸為 3mmX3mm，厚度只有 0.8mm（最大值），體積比前者小很多，功率耗散能力為 2.85W（在 25℃ 環(huán)境溫度下，空氣處于靜止?fàn)顟B(tài)），超過了前者的 2.041W，這就讓它擁有了更高的熱承載能力，使用性能會更好些，可以使用在空間受限的地方。

RTQ2569-QA 的封裝和引腳分布

線性穩(wěn)壓器的功耗是用下述公式進行計算的：

PD = (VIN - VOUT) × IOUT + VIN × IQ

這個功耗會轉(zhuǎn)換為熱量并通過傳導(dǎo)的方式從芯片內(nèi)核向外殼傳播，再由外殼向周圍環(huán)境傳導(dǎo)或是輻射。熱量從內(nèi)核向外殼傳導(dǎo)時遇到的阻力被稱為熱阻 θJC，熱量由外殼傳播到周圍環(huán)境時遇到的阻力被稱為熱阻 θCA，熱量從內(nèi)核傳播到周圍環(huán)境時遇到的阻力被稱為熱阻 θJA，并且有 θJA = θJC + θCA。

θJC 是由封裝形式?jīng)Q定的，一旦選定就無法改變。θCA 是由芯片與 PCB 的接觸方式、散熱銅箔的大小、PCB 厚度、通孔設(shè)計、周圍元件的布局以及空氣流動狀況等復(fù)雜因素共同決定的，用戶的設(shè)計可以對它發(fā)生很大的影響。

規(guī)格書中提供的封裝最大耗散功率由這些因素共同決定：芯片內(nèi)核容許的最高溫度（結(jié)溫，Junction Temperature），25℃ 的環(huán)境溫度，芯片被焊接在符合 JEDEC 51-7 標(biāo)準(zhǔn)的 4 層測試板上，周圍空氣處于靜止?fàn)顟B(tài)，這后面的兩點就決定了熱阻 θCA 的大小，相應(yīng)地 θJA 也就被確定了，它們之間的關(guān)系如下式所示：

PD(MAX) = (TJ(MAX) - TA ) / θJA

在這個公式中，TJ(MAX) 由芯片本身確定，θJA 由應(yīng)用設(shè)計確定，唯有 TA 是由環(huán)境確定的，所以環(huán)境溫度的變化決定了 PD(MAX) 的大小，這將傳遞到上述的 PD 計算公式中，使得 VIN 的最大值受到限制（其它參數(shù)由 IC 以及應(yīng)用確定）。

在應(yīng)用設(shè)計過程中，要想獲得最大的 PD(MAX) ，最好的做法就是降低熱阻 θJA，RT2560Q 的規(guī)格書在這方面做了一點指引，它給出了不同散熱銅箔面積所帶來的 θJA 的數(shù)據(jù)以供參考。

很顯然，散熱銅箔越大，熱阻 θJA 就越低，而前文所述這種帶有外露式散熱焊盤的 SOP-8 封裝 2.041W 的功率耗散能力是在 θJA 為 75℃/W 的熱阻下計算得到的，我們由此可以推知 JEDEC 51-7 標(biāo)準(zhǔn)中的測試板的設(shè)計使用的散熱銅箔就和 (a) 情形相同，這實在是一個非常受限的設(shè)計，其它做法都會比它好很多，但我們也能理解這就是一個標(biāo)準(zhǔn)所能做的事情，我們不該對它要求太多，反而要去善用它，利用它的規(guī)則看到不同封裝的特性，幫助我們在設(shè)計中做出正確的選擇。

在較高的溫度下使用穩(wěn)壓器時，必須考慮到環(huán)境溫度 TA 對功率耗散能力的影響，對設(shè)計進行降額處理是必須的，以 RT2560Q 為例，請參考規(guī)格書中的下圖進行思考，它的依據(jù)就來源于上述的這些信息。

在我過去的技術(shù)支持實踐中看到人們在選用 LDO 時最容易忽略的問題就是熱問題，希望這里提供的信息能夠幫助讀者建立起一些思考的基礎(chǔ)，降低選型以及設(shè)計中的錯誤出現(xiàn)幾率。