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線性穩(wěn)壓器的熱設(shè)計

出處:網(wǎng)絡(luò)整理 發(fā)布于:2025-01-09 17:12:37

  該部件的數(shù)據(jù)表指示了輸入電壓、輸出電流和輸出電壓(如果輸出是固定的而不是可變的)。如果您的設(shè)計要求更高一些,您還可以檢查輸出電壓的精度、壓差、輸出噪聲和工作環(huán)境溫度范圍。如果所有這些規(guī)格看起來都不錯,您可以將零件放入,一切都會好起來的,對吧?嗯,大多數(shù)時候,是的,一切都會好起來的,但設(shè)計也有可能徹底失敗。
  電流與功率
  首先要了解的是,該器件的輸出電流不是一個孤立的規(guī)格。輸出電流影響功耗,而功耗又影響結(jié)溫,如果結(jié)溫過高,器件將無法正常工作。盡管大多數(shù)(也許是所有)現(xiàn)代線性穩(wěn)壓器都采用熱保護(hù)電路,該電路將簡單地限制輸出電流以試圖降低內(nèi)部溫度,但仍可能造成性損壞。無論哪種情況,你的設(shè)計都會出現(xiàn)故障;更糟糕的是,它可能會以奇怪或間歇性的方式發(fā)生故障,從而導(dǎo)致潛在的高水平的故障排除引起的挫敗感。像往常一樣,的補救措施是預(yù)防。
  兩種溫度
  在確認(rèn)特定組件與系統(tǒng)的溫度要求兼容時,我們通常會查看零件數(shù)據(jù)表中列出的工作環(huán)境溫度范圍。這對于大多數(shù)情況來說已經(jīng)足夠了,但仍然相當(dāng)不。嚴(yán)格來說,環(huán)境溫度并不能決定部件是否正常工作,就像室外氣溫不能直接決定您在屋內(nèi)是否舒適一樣。真正重要的是內(nèi)部溫度,即半導(dǎo)體所經(jīng)歷的溫度——畢竟,是晶體管使電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)電壓,而不是塑料封裝。該內(nèi)部溫度稱為結(jié)溫。
  我們通常只能查看環(huán)境溫度范圍,因為結(jié)溫通常與環(huán)境溫度相似。如果您住在通風(fēng)良好的木棚里并在戶外用明火做飯,那么棚屋內(nèi)的溫度與室外溫度不會有太大差異。這只是工作中的熱平衡。許多電子元件也會發(fā)生同樣的情況,因為許多電子元件不會消耗大量功率。這是關(guān)鍵點。傳感器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、微控制器、邏輯門等往往會消耗適量的功率,因此結(jié)溫與環(huán)境溫度沒有太大差異。但線性穩(wěn)壓器則是另一回事。想象一下,如果您整天都在那個木屋里烤面包。這或多或少就是穩(wěn)壓器正在做的事情,其結(jié)果是結(jié)溫可能明顯超過環(huán)境溫度。因此,穩(wěn)健的線性穩(wěn)壓器設(shè)計的關(guān)鍵之一是確保即使在壞的工作條件下結(jié)溫也保持在可接受的范圍內(nèi)。
  首先,計算功率

  決定環(huán)境溫度和結(jié)溫之間差異的兩個因素是功耗和熱阻。首先讓我們看看功耗。

  該圖顯示了線性穩(wěn)壓器中的兩個電流路徑;從輸入引腳直接到地的路徑稱為地電流 (I GND ),從輸入引腳通過供電電路到地的路徑稱為負(fù)載電流 (I LOAD )。這兩個電流產(chǎn)生的內(nèi)部功耗為

PIGND  =IGND×VIN   PILOAD   =ILOAD×\左(VIN?VOUT\右)

  因此,穩(wěn)壓器內(nèi)部的總功耗如下:

PTOTAL=(IGND×VIN)+(ILOAD×(VIN?VOUT))

  接地電流(即穩(wěn)壓器內(nèi)部電路在生成穩(wěn)壓輸出電壓的過程中消耗的電流)通常比負(fù)載電流小得多。因此,如果您不想檢查接地電流規(guī)格,則可以簡單地忽略此項,結(jié)果應(yīng)該非常接近。
  熱阻

  穩(wěn)壓器內(nèi)部消耗的功率導(dǎo)致結(jié)溫與環(huán)境溫度之間存在持續(xù)差異。所以我們知道穩(wěn)壓器的內(nèi)部電路總是會比周圍環(huán)境更熱;問題是,熱多少?這就是熱阻發(fā)揮作用的地方。顧名思義,這個量對應(yīng)于熱流受到的阻力。在調(diào)節(jié)器設(shè)計的背景下,較高的熱阻意味著對想要從常規(guī)內(nèi)部流動到周圍環(huán)境的熱量有更大的阻力。電阻越高意味著熱流越少,熱流越少意味著穩(wěn)態(tài)溫差越大。這種關(guān)系反映在以下等式中,其中熱阻用 θ 表示,單位為 °C/瓦。

ΔTJA=PTOTAL×θJA

  因此,如果您知道穩(wěn)壓器的功耗 (P TOTAL ) 和從內(nèi)部電路到周圍環(huán)境的熱阻 (θ JA ),您就可以計算出環(huán)境溫度與結(jié)溫之間的差值 (ΔT JA )。不幸的是,確定 θ JA并不完全簡單。
  首先要明白的是 θ JA不是一個固定的量。這取決于您的 PCB 設(shè)計。實際上,這是一個關(guān)鍵點:您不能假設(shè)穩(wěn)壓器數(shù)據(jù)表中給出的環(huán)境溫度范圍對于所有 PCB 布局都有效。換句話說,如果使穩(wěn)壓器承受輸入電壓和輸出電流,即使環(huán)境溫度保持在可接受的范圍內(nèi),高熱阻 PCB 布局也可能導(dǎo)致部件過熱。

  因此,首先我們需要回答以下問題:如果器件處于壞的工作條件下,熱阻必須有多低?我們可以將上面的等式重新排列如下:

θJA=ΔTJAPTOTAL

  插入適當(dāng)?shù)闹?,我們得到以下結(jié)果:

θJ一個=(150°C-85°C)(.03 一個×8 V)+(1 一個×(8 V-3.3 V))=65°C4.94 瓦=13.2 °C瓦

  但這么低的熱阻是不可能的!請考慮 ADP3338 數(shù)據(jù)表中的下圖:

  該圖旨在讓您了解不同 PCB 布局的預(yù)期熱阻。因此,如果您只是將此調(diào)節(jié)器焊接到電路板上,而不提供任何額外的銅來幫助散熱,那么熱阻將高出大約十倍。即使是右側(cè)的布局(包含大量銅焊盤)仍然遠(yuǎn)高于壞情況運行所需的 13.2 °C/W。您可以通過擴(kuò)大銅面積并使用大量過孔為其他 PCB 層提供熱路徑來進(jìn)一步降低熱阻,但在這種情況下,您永遠(yuǎn)不會達(dá)到 13.2 °C/W。這是因為結(jié)到環(huán)境熱阻是外殼到環(huán)境熱阻(取決于布局)和結(jié)到外殼熱阻(僅取決于 IC 封裝)的總和,并且 ADP3338 的結(jié)到外殼熱阻為 26.8 °C/W,已經(jīng)是這些壞情況工作條件所需總體熱阻的兩倍。
關(guān)鍵詞:線性穩(wěn)壓器

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