R課堂 | 安全使用三端穩(wěn)壓器必備的散熱基礎(chǔ)知識(shí)

三端穩(wěn)壓器是一種可以用來對(duì)電源進(jìn)行降壓的簡(jiǎn)單電子器件。由于降壓部分直接因發(fā)熱而成為熱損耗，因此在從很高的電壓降壓時(shí)或在大電流條件下使用時(shí)，需要安裝合適的散熱器。

研究發(fā)現(xiàn)，溫度每升高2℃，電子元器件的不良率就會(huì)增加10%，因此，適當(dāng)?shù)纳嵩O(shè)計(jì)對(duì)于提高電子元器件的可靠性和延長(zhǎng)使用壽命而言至關(guān)重要。

目 錄

1.三端穩(wěn)壓器的最大電流取決于溫度

2.確認(rèn)無散熱器的三端穩(wěn)壓器的實(shí)力

3.通過計(jì)算求出結(jié)溫

4.如何找到可以輸出1A的散熱器

5.如何穩(wěn)定輸出1A

6.散熱設(shè)計(jì)是電源電路的基礎(chǔ)，也不能忘了實(shí)測(cè)

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三端穩(wěn)壓器的最大電流取決于溫度

三端穩(wěn)壓器有多種類型，其最大輸出電流涵蓋0.5A到2A的范圍。但是，在最大電流條件下使用時(shí)，需要配備合適的散熱器。

在三端穩(wěn)壓器的技術(shù)規(guī)格書中，列出了單獨(dú)使用IC時(shí)和帶散熱器使用IC時(shí)的兩種容許功耗。

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ROHM的三端穩(wěn)壓器BA17805CP的技術(shù)規(guī)格書。針對(duì)沒有散熱器的IC單體，容許功耗被限制在2W。

三端穩(wěn)壓器的輸出能力在很大程度上取決于散熱器的性能。實(shí)際上，說到使用散熱器，可能很多人都會(huì)有一些困惑，比如“需要多大的散熱器？”、“怎樣測(cè)量溫度才好？”等不同于電子作品制作的問題。

在本文中，我們將以三端穩(wěn)壓器為例，為您介紹電子元器件溫度測(cè)量的基礎(chǔ)知識(shí)和熱設(shè)計(jì)的思路。

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確認(rèn)無散熱器的三端穩(wěn)壓器的實(shí)力

這次使用的是ROHM的三端穩(wěn)壓器BA17805CP。雖然是一款最大輸出電流為1A的三端穩(wěn)壓器，但其IC單體的容許損耗卻高達(dá)2W。

在介紹熱設(shè)計(jì)之前，讓我們先了解一下在沒有散熱器的狀態(tài)下運(yùn)行三端穩(wěn)壓器并測(cè)量電子器件溫度的方法。

這次我們將使用輸出電壓為5V的ROHM三端穩(wěn)壓器“BA17805CP”。

在這款三端穩(wěn)壓器的技術(shù)規(guī)格書中，列出了“無散熱器狀態(tài)下的容許功耗為2W”。在這里我們要進(jìn)行從12V降壓到5V的降壓工作，所以最大電流的計(jì)算值可以通過下列公式獲得：

考慮到高達(dá)2W的三端穩(wěn)壓器損耗，得出的結(jié)論是可以承受約為0.29A的最大電流。

用粘合劑將熱電偶固定在三端穩(wěn)壓器的封裝表面。建議使用固化劑或AB環(huán)氧膠，這樣可以固定得更牢固。

我們使用熱電偶測(cè)量三端穩(wěn)壓器的溫度。還有一些支持使用熱電偶測(cè)量溫度的測(cè)試儀，利用這類測(cè)試儀也可以輕松地高精度測(cè)量溫度。

這次我們將重點(diǎn)介紹普遍適用的基本測(cè)量方法，如果您想以更高精度測(cè)量電子元器件的溫度，建議您參考這里的應(yīng)用指南（→使用熱電偶測(cè)量溫度時(shí)的注意事項(xiàng)｜ROHM）

做好準(zhǔn)備后，在連接了能使三端穩(wěn)壓器的損耗達(dá)到2W的負(fù)載的狀態(tài)下，觀察溫度上升情況。

（左）電流測(cè)量值，（中）封裝表面溫度，（右）被測(cè)量的三端穩(wěn)壓器

給三端穩(wěn)壓器施加了稍高的負(fù)載，使損耗達(dá)到2.1W，略微超過了額定值。由于連接的熱電偶會(huì)散發(fā)一些熱量，所以可以認(rèn)為情況會(huì)比計(jì)算值要好。

我們?cè)黾与娏髦钡?span style="text-decoration:underline;color:rgb(217,33,66);">BA17805CP的過熱保護(hù)功能要啟動(dòng)卻尚未啟動(dòng)的程度，最終輸出電流達(dá)到0.31A。

此時(shí)的表面溫度約為119℃。如果負(fù)載進(jìn)一步增加，輸出將在幾分鐘之內(nèi)被過熱保護(hù)電路關(guān)斷。至于容許損耗，其結(jié)果與技術(shù)規(guī)格書中的值幾乎相同。

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通過計(jì)算求出結(jié)溫

前面介紹了使用熱電偶測(cè)量溫度的方法，但需要注意的是，這里測(cè)量的溫度是封裝的表面溫度。

技術(shù)規(guī)格書中給出的IC的最大額定工作溫度是IC封裝的內(nèi)部溫度，被稱為“結(jié)溫(T_J)”，并不是封裝的表面溫度。所以僅僅測(cè)量封裝的溫度并不能掌握結(jié)溫。

根據(jù)封裝表面溫度計(jì)算結(jié)溫時(shí)，需要使用含有熱特性參數(shù)Ψ_JT（與使用無限大散熱器時(shí)的熱阻θ_JC同義）的計(jì)算公式。

根據(jù)測(cè)量得到的封裝表面溫度值、技術(shù)規(guī)格書中給出的θ_JC和功耗值，可以計(jì)算出結(jié)溫如下：

結(jié)溫為131℃，看起來距離IC的最大額定工作溫度150℃仍有余量，但如果再繼續(xù)增加電流，輸出就會(huì)因過熱而被關(guān)斷。

這是由于測(cè)量誤差造成的，通常認(rèn)為受引線和熱電偶布線的影響，會(huì)使測(cè)得的封裝表面溫度低于實(shí)際的表面溫度。

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如何找到可以輸出1A的散熱器

我們看到使用三端穩(wěn)壓器單體時(shí)，只能輸出最高0.3A的電流，現(xiàn)在，我們安裝散熱器讓輸出達(dá)到1A。在這里介紹一下如何根據(jù)計(jì)算選擇散熱器。

要想選擇最佳的散熱器，通常會(huì)使用一種稱為“散熱等效電路”的手法。

散熱等效電路是一種通過將與熱相關(guān)的各元素視為電子元器件，來計(jì)算IC的發(fā)熱量和求出熱阻的方法。在散熱等效電路中，各發(fā)熱元素會(huì)如下替換并考量：

熱源 →功率（功率損耗）

各點(diǎn)的溫度→電壓

熱阻 →電阻

在這個(gè)散熱等效電路中，以下公式成立：

這次求的是表示散熱器熱阻的θ_HA。在這里，我們將公式變形以使其更易于計(jì)算。其余各值均可從產(chǎn)品目錄和技術(shù)規(guī)格書中獲取，通過輸入這些必要條件即可計(jì)算出θ_HA。

溫度設(shè)置：最高結(jié)溫T_J為150℃，室溫T_A為25℃。因?yàn)閺?2V降壓至5V時(shí)最大輸出為1A，所以功耗P為7W。

結(jié)和外殼之間的熱阻θ_JC在三端穩(wěn)壓器的技術(shù)規(guī)格書中已經(jīng)提供，因此我們將直接使用這個(gè)值。本次使用的BA17805CP的θ_JC為5.7[℃/W]。

表示接觸熱阻的θ_CH，使用將導(dǎo)熱硅脂或散熱片的導(dǎo)熱系數(shù)λ轉(zhuǎn)換為熱阻值的公式。其轉(zhuǎn)換公式如下：

在這里，導(dǎo)熱硅脂使用的是Sunhayato生產(chǎn)的導(dǎo)熱硅脂SCH-20（導(dǎo)熱系數(shù)：0.84W/m?k）。在TO220CP-3封裝上使用這種硅脂時(shí)，熱阻值為0.79℃/W（厚度0.1mm時(shí)）。

將這些值代入前面的θ_HA公式中得到以下結(jié)果：

從這個(gè)結(jié)果中，我們可以看出如果使用熱阻為11.36[℃/W]以下的散熱器，就可以輸出1A。

秋月電子銷售的GLOBAL ELECTRONICS公司生產(chǎn)的17PB046 01025的熱阻為11.98[℃/W]，正好是接近該熱阻值的散熱器。雖然這款散熱器與要求的熱阻不是完全吻合，但是它很容易買到，所以我們用這款散熱器試試能否實(shí)現(xiàn)1A輸出。

（左）GLOBAL ELECTRONICS生產(chǎn)的散熱器17PB046 01025和（右）Sunhayato生產(chǎn)的導(dǎo)熱硅膠SCH-20。兩者都可以在電子元器件商店或網(wǎng)上買到。

將三端穩(wěn)壓器用螺釘固定在散熱器上。在自然空冷條件下，熱阻會(huì)隨著散熱器的放置方式而變化。

將三端穩(wěn)壓器固定在散熱器上之后，調(diào)整負(fù)載并增加電流，直到過熱保護(hù)電路要啟動(dòng)卻尚未啟動(dòng)的程度。

我們看到以0.96A的電流讓三端穩(wěn)壓器開始運(yùn)行了。該結(jié)果與計(jì)算得出的該散熱器支持的最大輸出電流0.95A幾乎相同。

在連接散熱器的狀態(tài)下測(cè)量三端穩(wěn)壓器的封裝表面溫度時(shí)，實(shí)測(cè)值為108℃。將該測(cè)量結(jié)果和三端穩(wěn)壓器的損耗（6.7W）代入前面的結(jié)溫計(jì)算公式，得出以下結(jié)果：

您可以看到，三端穩(wěn)壓器在接近額定工作溫度的條件下工作。在這種狀態(tài)下如果稍微增加一點(diǎn)負(fù)載，輸出將在幾分鐘內(nèi)被關(guān)斷。

如上所述，進(jìn)行熱設(shè)計(jì)時(shí)，可以按照這類方法來選擇與三端穩(wěn)壓器的能力相匹配的最佳散熱器。

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如何穩(wěn)定輸出1A

前面我們介紹了使三端穩(wěn)壓器輸出達(dá)到1A的方法，但這是在最高結(jié)溫150℃和環(huán)境溫度25℃的條件下計(jì)算得出的，只要溫度略有變化，就可能立即超出額定值。

為了能夠?qū)⑵鋵?shí)際裝入到電路中，必須在結(jié)溫和環(huán)境溫度有余量的條件下進(jìn)行熱設(shè)計(jì)。

例如，從12V降壓到5V、輸出1A的三端穩(wěn)壓器，在結(jié)溫120℃、環(huán)境溫度60℃的條件下計(jì)算時(shí)，要求散熱器的熱阻是θ_HA=2.08[℃/W]以下。

如果使用鋁擠壓成型的散熱器（自然空冷）滿足這個(gè)熱阻要求的話，需要重量接近300克的產(chǎn)品。

只要您掌握了上述熱設(shè)計(jì)要點(diǎn)，不用實(shí)際組裝電路并實(shí)測(cè)溫度，也能正確選擇所需的散熱器。

6

散熱設(shè)計(jì)是電源電路的基礎(chǔ)，

也不能忘了實(shí)測(cè)

本文重點(diǎn)介紹了三端穩(wěn)壓器的發(fā)熱情況和熱計(jì)算，其中，使用散熱等效電路進(jìn)行熱設(shè)計(jì)是一種也適用于其他電子元器件的方便方法。

不考慮電子元器件的發(fā)熱就制作電子電路的話，會(huì)給安裝散熱器的空間和元器件放置造成障礙，最終還會(huì)導(dǎo)致故障或成本增加。

這里介紹的熱設(shè)計(jì)和溫度測(cè)量是很簡(jiǎn)單的方法，如果要進(jìn)行更高精度的溫度測(cè)量，還需要進(jìn)一步的知識(shí)和技巧。不過，僅憑本文介紹的方法，也可以有效管理電子元器件的發(fā)熱了。

進(jìn)行熱設(shè)計(jì)還有一些先進(jìn)的計(jì)算工具，但不管怎樣實(shí)測(cè)驗(yàn)證是必不可少的。特別是在近年來的產(chǎn)品中，功率晶體管、功率IC等發(fā)熱元器件的種類增多，發(fā)熱密度也越來越大。歡迎大家參考這篇文章，積極解決發(fā)熱問題。

參考（ROHM Application Note）

※ 使用熱電偶測(cè)量溫度時(shí)的注意事項(xiàng)
※三端穩(wěn)壓器的散熱設(shè)計(jì)
※關(guān)于熱阻和熱特性參數(shù)

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