LDO的基础特性——热关断
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- 前言
- 一、热性能信息
- 二、是否选择了适合的封装？
- 三、热关断
- 四、下文介绍了有助于最大程度地减少热量的一些提示和技巧
- 1.增大接地层、VIN和VOUT接触层的尺寸
- 2.安装散热器
- 3.布局
前言
若将热性能纳入考量，可以进一步提高应用的性能。低压降稳压器（LDO）的特性是通过将多余的功率转化为热量来实现稳压，因此，该集成电路非常适合低功耗或VIN与VOUT之差较小的应用。考虑到这一点，选择采用适当封装的适当LDO对于最大程度地提高应用性能至关重要。这一点正是令设计人员感到棘手之处，因为最小的可用封装并不总能符合所需应用的要求。
一、热性能信息
选择LDO时要考虑的最重要特性之一是其热阻（RθJA）。RθJA呈现了LDO采用特定封装时的散热效率。RθJA值越大，表示此封装的散热效率越低，而值越小，表示器件散热效率越高。
封装尺寸越小，RθJA值通常越大。例如，TPS732根据封装不同而具有不同的热阻值：小外形晶体管（SOT）-23（2.9mmx1.6mm）封装的热阻为205.9°C/W，而SOT-223（6.5mmx3.5mm）封装的热阻为53.1°C/W。这意味着TPS732每消耗1W功率，温度就会升高205.9°C或53.1°C。这些值可参见器件数据表的“热性能信息”部分，如表1所示。
表1：不同封装对应的热阻
二、是否选择了适合的封装？
建议的LDO工作结温介于-40°C至125°C之间；同样，可以在器件数据表中查看这些值，如表2所示。
表2建议的工作条件
这些建议的温度表示器件将按数据表中“电气特性”表所述工作。可以使用公式1确定哪种封装将在适当的温度下工作。
公式1TJ=TA （RθJA×PD）
PD=［（VIN−VOUT）×IOUT］ （VIN×Iground）
其中TJ为结温，TA为环境温度，RθJA为热阻（取自数据表），PD为功耗，Iground为接地电流（取自数据表）。
下面给出了一个简单示例，使用TPS732将5.5V电压下调至3V，输出电流为250mA，采用SOT-23和SOT-223两种封装。
PD=［（5.5V-3V）x250mA］ （5.5Vx0.95mA）=0.63W
SOT-23：TJ=25°C （205.9°C/Wx0.63W）=154.72°C
SOT-223：TJ=25°C （53.1°C/Wx0.63W）=58.45°C
三、热关断
结温为154.72°C的器件不仅超过了建议的温度规范，还非常接近热关断温度。关断温度通常为160°C；这意味着器件结温高于160°C时会激活器件内部的热保护电路。此热保护电路会禁用输出电路，使器件温度下降，防止器件因过热而受到损坏。
当器件的结温降至140°C左右时，会禁用热保护电路并重新启用输出电路。如果不降低环境温度和/或功耗，器件可能会在热保护电路的作用下反复接通和断开。如果不降低环境温度和/或功耗，则必须更改设计才能获得适当的性能。
一种比较明确的设计解决方案是采用更大尺寸的封装，因为器件需要在建议的温度下工作。
四、下文介绍了有助于最大程度地减少热量的一些提示和技巧
1.增大接地层、VIN和VOUT接触层的尺寸
当功率耗散时，热量通过散热焊盘从LDO散出；因此，增大印刷电路板（PCB）中输入层、输出层和接地层的尺寸将会降低热阻。如图1所示，接地层通常尽可能大，覆盖PCB上未被其他电路迹线占用的大部分区域。该尺寸设计原则是由于许多元件都会生成返回电流，并且需要确保这些元件具有相同的基准电压。最后，接触层有助于避免可能会损害系统的压降。大的接触层还有助于提高散热能力并最大限度地降低迹线电阻。增大铜迹线尺寸和扩大散热界面可显著提高传导冷却效率。
在设计多层PCB时，采用单独的电路板层（包含覆盖整个电路板的接地层）通常是个不错的做法。这有助于将任何元件接地而不需要额外迹线。元件引脚通过电路板上的孔直接连接到包含接地平面的电路板层。
图1：SOT-23封装的PCB布局
2.安装散热器
散热器会降低RθJA，但会增大系统尺寸、增加系统成本。选择散热器时，底板的尺寸应与其所连接的器件的尺寸相似。这有助于在散热器表面均匀散热。如果散热器尺寸与其所连接器件表面的尺寸不尽相同，热阻会增大。
考虑到封装的物理尺寸，SC-70（2mm×1.25mm）和SOT-23（2.9mm×1.6mm）等封装通常不与散热器搭配使用。另一方面，可以将晶体管外形（TO）-220（10.16mm×8.7mm）和TO-263（10.16mm×9.85mm）封装与散热器搭配使用。
图2显示了四种封装之间的差异。
图2：封装差异
可以在输入电压侧串联电阻，以便分担一些功耗；图3所示为相关示例。该技术的目标是使用电阻将输入电压降至可能的最低水平。
图3：串联连接的电阻
由于LDO需要处于饱和状态以进行适当调节，可以通过将所需的输出电压和压降相加来获得最低输入电压。公式2表示了LDO的这两种属性的计算方式：
公式2
VIN−［（IOUT Iground）xRmax］=VOUT Vdropout
Rmax=（VIN−VOUT−Vdropout）/（IOUT Iground）
使用TPS732示例中的条件（输出250mA电流，将5.5V调节至3V），可以使用公式3计算电阻的最大值以及该电阻消耗的最大功率：
PD（Rmax）=（IOUT Iground）^2xRmax
选择适合的电阻，确保不会超过其“额定功耗”。此额定值表示在不损坏自身的情况下电阻可以将多少瓦功率转化为热量。
因此，如果VIN=5.5V、VOUT=3V、Vdropout=0.15V（取自数据表）、IOUT=250mA且Iground=0.95mA（取自数据表），则：
Rmax=（5.5V−3V−0.15V）/（250mA 0.95mA）=9.36Ω
PD（Rmax）=（250mA 0.95mA）2x9.36Ω=0.59W
3.布局
如果PCB上的其他发热器件与LDO的距离非常近，这些器件可能会影响LDO的温度。为避免温度上升，请确保将LDO放在尽可能远离发热器件的位置。
对于特定应用，可以通过许多方法实现高效、尺寸适当且成本低的散热解决方案。关键在于早期设计阶段为确保所有选件都可用而需要考虑的各种注意事项。对于散热而言，选择适合的元件并不是一项简单的任务，但选用适合的器件和技术将有助于设计过程成功完成。