LDO的基礎(chǔ)特性——熱關(guān)斷

1、前言

若將熱性能納入考量，可以進(jìn)一步提高應(yīng)用的性能。低壓降穩(wěn)壓器 （LDO） 的特性是通過將多余的功率轉(zhuǎn)化為熱量來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)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(yīng)用。考慮到這一點(diǎn)，選擇采用適當(dāng)封裝的適當(dāng) LDO 對(duì)于最大程度地提高應(yīng)用性能至關(guān)重要。這一點(diǎn)正是令設(shè)計(jì)人員感到棘手之處，因?yàn)樽钚〉目捎梅庋b并不總能符合所需應(yīng)用的要求。

2、熱性能信息

選擇 LDO 時(shí)要考慮的最重要特性之一是其熱阻 （RθJA）。RθJA 呈現(xiàn)了 LDO 采用特定封裝時(shí)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(jù)封裝不同而具有不同的熱阻值：小外形晶體管 （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(huì)升高 205.9°C 或 53.1°C。這些值可參見器件數(shù)據(jù)表的“熱性能信息”部分，如表 1 所示。

表 1：不同封裝對(duì)應(yīng)的熱阻

3、是否選擇了適合的封裝？

建議的 LDO 工作結(jié)溫介于 -40°C 至 125°C 之間；同樣，可以在器件數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)表中“電氣特性”表所述工作?？梢允褂霉?1 確定哪種封裝將在適當(dāng)?shù)臏囟认鹿ぷ鳌?/p>

公式 1 TJ = TA + （RθJA × PD ）

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

其中 TJ 為結(jié)溫，TA 為環(huán)境溫度，RθJA 為熱阻（取自數(shù)據(jù)表），PD 為功耗，Iground 為接地電流（取自數(shù)據(jù)表）。

下面給出了一個(gè)簡(jiǎn)單示例，使用 TPS732 將 5.5V 電壓下調(diào)至 3V，輸出電流為 250mA，采用 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(guān)斷

結(jié)溫為 154.72°C 的器件不僅超過了建議的溫度規(guī)范，還非常接近熱關(guān)斷溫度。關(guān)斷溫度通常為 160°C；這意味著器件結(jié)溫高于 160°C 時(shí)會(huì)激活器件內(nèi)部的熱保護(hù)電路。此熱保護(hù)電路會(huì)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(shí)會(huì)激活器件內(nèi)部的熱保護(hù)電路。此熱保護(hù)電路會(huì)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(dāng)器件的結(jié)溫降至 140°C 左右時(shí)，會(huì)禁用熱保護(hù)電路并重新啟用輸出電路。如果不降低環(huán)境溫度和/或功耗，器件可能會(huì)在熱保護(hù)電路的作用下反復(fù)接通和斷開。如果不降低環(huán)境溫度和/或功耗，則必須更改設(shè)計(jì)才能獲得適當(dāng)?shù)男阅堋?/p>

一種比較明確的設(shè)計(jì)解決方案是采用更大尺寸的封裝，因?yàn)槠骷枰诮ㄗh的溫度下工作。

5、下文介紹了有助于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(dāng)功率耗散時(shí)，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(huì)降低熱阻。如圖 1 所示，接地層通常盡可能大，覆蓋 PCB 上未被其他電路跡線占用的大部分區(qū)域。該尺寸設(shè)計(jì)原則是由于許多元件都會(huì)生成返回電流，并且需要確保這些元件具有相同的基準(zhǔn)電壓。最后，接觸層有助于避免可能會(huì)損害系統(tǒng)的壓降。大的接觸層還有助于提高散熱能力并最大限度地降低跡線電阻。增大銅跡線尺寸和擴(kuò)大散熱界面可顯著提高傳導(dǎo)冷卻效率。

在設(shè)計(jì)多層 PCB 時(shí)，采用單獨(dú)的電路板層（包含覆蓋整個(gè)電路板的接地層）通常是個(gè)不錯(cuò)的做法。這有助于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(huì)降低 RθJA，但會(huì)增大系統(tǒng)尺寸、增加系統(tǒng)成本。選擇散熱器時(shí)，底板的尺寸應(yīng)與其所連接的器件的尺寸相似。這有助于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(huì)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，可以將晶體管外形 （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(cè)串聯(lián)電阻，以便分擔(dān)一些功耗；圖 3 所示為相關(guān)示例。該技術(shù)的目標(biāo)是使用電阻將輸入電壓降至可能的最低水平。

圖 3：串聯(lián)連接的電阻

由于 LDO 需要處于飽和狀態(tài)以進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，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(jì)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(diào)節(jié)至 3V），可以使用公式 3 計(jì)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(huì)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(zhuǎn)化為熱量。

因此，如果 VIN = 5.5V、VOUT = 3V、Vdropout = 0.15V（取自數(shù)據(jù)表）、IOUT = 250mA 且 Iground = 0.95mA（取自數(shù)據(jù) 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(fā)熱器件與 LDO 的距離非常近，這些器件可能會(huì)影響 LDO 的溫度。為避免溫度上升，請(qǐng)確保將 LDO 放在盡可能遠(yuǎn)離發(fā)熱器件的位置。

對(duì)于特定應(yīng)用，可以通過許多方法實(shí)現(xiàn)高效、尺寸適當(dāng)且成本低的散熱解決方案。關(guān)鍵在于早期設(shè)計(jì)階段為確保所有選件都可用而需要考慮的各種注意事項(xiàng)。對(duì)于散熱而言，選擇適合的元件并不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的任務(wù)，但選用適合的器件和技術(shù)將有助于設(shè)計(jì)過程成功完成。