芯耀
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Part 01、前言
LDO的核心工作原理是通過內(nèi)部的功率器件，如PMOS或PNP將輸入電壓調(diào)整到所需的輸出電壓。調(diào)整過程中，輸入與輸出電壓差乘以負(fù)載電流會(huì)產(chǎn)生功率損耗PD，幾乎全部轉(zhuǎn)化為熱量。如果這些熱量無法有效散出，穩(wěn)壓器的結(jié)溫TJ將升高，可能超過datasheet規(guī)定的最大結(jié)溫如125°C，從而影響器件可靠性，甚至導(dǎo)致永久性損壞。
熱管理不僅是選擇合適封裝的問題，還涉及電路板設(shè)計(jì)、散熱條件以及不同廠商的規(guī)格差異等多個(gè)方面。以下總結(jié)了LDO電路設(shè)計(jì)選型時(shí)需要關(guān)注的三大因素。
Part 02、三大因素
1. 不同廠商的熱參數(shù)差異
不同廠商在提供LDO數(shù)據(jù)手冊(cè)時(shí)，對(duì)熱阻參數(shù)如θ_JA，結(jié)到環(huán)境的熱阻的定義和測(cè)試條件可能存在顯著差異。例如，TI的PowerPAD封裝通過增加銅箔面積顯著降低了θJA，而其他廠商可能基于不同的電路板層數(shù)、銅箔厚度或氣流條件來標(biāo)示熱阻。這意味著，即便兩款穩(wěn)壓器看似規(guī)格相似，其實(shí)際熱性能可能大相徑庭。
此外，廠商在測(cè)試θJA時(shí)可能假設(shè)不同的散熱條件（如是否有強(qiáng)制氣流(也就是風(fēng)扇散熱)、PCB銅箔面積等）。如果工程師直接拿來數(shù)據(jù)手冊(cè)中的θJA值進(jìn)行比較，而忽略測(cè)試條件的差異，可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的器件選擇。
那我們?cè)撊绾螒?yīng)對(duì)呢？
查閱數(shù)據(jù)手冊(cè)：仔細(xì)閱讀數(shù)據(jù)手冊(cè)中的熱參數(shù)測(cè)試條件，尤其是PCB設(shè)計(jì)（如單層或多層、銅箔覆蓋率）和氣流條件（0 CFM或250 CFM）。
參考JEDEC標(biāo)準(zhǔn)：JEDEC標(biāo)準(zhǔn)（如JESD51）提供了統(tǒng)一的熱阻測(cè)試方法，優(yōu)先選擇符合該標(biāo)準(zhǔn)的廠商數(shù)據(jù)，畢竟標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，方便我們后期設(shè)計(jì)。
實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證：這一部一般也少不了，比如使用熱成像儀或溫度傳感器驗(yàn)證實(shí)際結(jié)溫，確認(rèn)是否符合預(yù)期。
2. 理論計(jì)算不符但器件正常工作
有時(shí)，硬件工程師按照熱方程（θJA = (TJ(max) - TA) / PD）計(jì)算后，發(fā)現(xiàn)器件似乎無法滿足熱要求，但實(shí)際測(cè)試中器件卻能正常工作。這是啥原因呢？推測(cè)的話呢可能有以下原因：
1.廠商提供的數(shù)據(jù)手冊(cè)通?；谧顗那闆r（如無氣流、單層PCB），而實(shí)際應(yīng)用中的散熱條件可能更好，如多層板或額外散熱片。
2.實(shí)際應(yīng)用中的氣流、散熱片的熱傳導(dǎo)可能改善了散熱效果。
舉個(gè)例子，假設(shè)我們使用1.8V輸出，100mA穩(wěn)壓器，輸入電壓為5V，環(huán)境溫度TA=70°C，最大結(jié)溫TJ(max)=125°C。我們需要判斷其SOT-23封裝是否滿足熱要求。
首先計(jì)算功率損耗： PD = (VI - VO) × IO = (5 - 1.8) × 0.1 = 0.32 W
計(jì)算所需熱阻： θJA = (TJ(max) - TA) / PD = (125 - 70) / 0.32 ≈ 171.875 °C/W
如果此時(shí)數(shù)據(jù)手冊(cè)SOT-23封裝在無氣流條件下的θJA為200°C/W，高于計(jì)算所需的171.875°C/W，那么理論上是不滿足要求的。但是在實(shí)際電路中，PCB可能有多層銅箔或輕微氣流，導(dǎo)致實(shí)際θJA低于200°C/W。假設(shè)實(shí)際θJA降至150°C/W，重新計(jì)算結(jié)溫： TJ = TA + PD × θJA = 70 + 0.32 × 150 = 118 °C 此時(shí)，TJ < 125°C，器件可以正常工作。
所以通過增加銅箔面積或使用多層板可顯著降低θJA。所以溫升能不能行，在樣機(jī)階段，還是要使用熱電偶或紅外測(cè)溫儀驗(yàn)證實(shí)際結(jié)溫，僅依賴?yán)碚撚?jì)算還是不太全面的。
3. 降額設(shè)計(jì)
降額設(shè)計(jì)是指將器件的工作條件控制在低于其絕對(duì)最大額定值，以提高可靠性和壽命。通過Arrhenius模型說明，降低結(jié)溫可以顯著延長器件壽命。例如，降低10°C的結(jié)溫，平均無故障時(shí)間MTBF可翻倍。
Arrhenius模型公式如下：
其中，Ea為激活能（典型值0.9eV），k為玻爾茲曼常數(shù)（8.6 × 10?? eV/K），T1和T2為絕對(duì)溫度（單位K）。
假設(shè)一款LDO的最大結(jié)溫為125°C（398K），我們將其降額到115°C（388K），激活能Ea=0.9 eV，計(jì)算MTBF的變化：
?f = exp [ 0.9 / (8.6 × 10??) × (1/388 - 1/398) ] = exp [ 10465.12 × (0.002577 - 0.002513) ] ≈ exp(0.669) ≈ 1.952 MTBF提高約1.95倍，接近翻倍。
在高可靠性應(yīng)用中，建議將結(jié)溫控制在最大額定值的80%-90%。降額可能需要更大封裝或額外散熱措施，那么就需在成本與可靠性間找到平衡。有些LDO規(guī)格書會(huì)給推薦的降額曲線，也可以參考。
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