LDO 基础特性 - 热关断

孔乙不己 8号线攻城狮 2022-05-20

1、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。

2、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 (2.9mm x 1.6mm) 封装的热阻为 205.9°C/W，而 SOT-223 (6.5mm x 3.5mm) 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

3、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 1 TJ = 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) 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、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。

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。

5、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

5.1 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

5.2 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 )^2 xRmax

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：