线性稳压器的正确热设计

您的线性稳压器在所有可能的工作条件下都能正常工作吗？要找到答案，您需要了解功耗和热阻。

乍一看，线性稳压器看起来如此简单。器件的数据表显示了最大输入电压，最大输出电流和输出电压（如果输出是固定的而不是可变的）。如果您的设计要求要求更高，您还可以检查输出电压的精度，压差电压，输出噪声和工作环境温度范围。如果所有这些规格看起来都很好，你可以放入零件，一切都会好的，对吗？好吧，大部分时间，是的，一切都会好的，但设计也可能彻底失败。

电流与功率

首先要了解的是器件的最大输出电流不是隔离的规格。输出电流会影响功耗，功耗会影响结温，如果结温过高，器件将无法正常工作。永久性损坏是可能的，尽管大多数（可能全部）现代线性稳压器都包含热保护电路，该电路将简单地限制输出电流以试图降低内部温度。无论哪种情况，您的设计都会出现故障;更糟糕的是，它可能以奇怪或间歇的方式发生故障，导致潜在的高故障排除导致的挫败感。像往常一样，最好的补救措施是预防。

两个温度

当确认特定组件与系统的温度要求兼容时，我们通常查看器件数据表中列出的工作环境温度范围。这对于大多数情况来说已经足够了，但它仍然是不精确的。严格来说，环境温度并不能确定部件是否能正常工作，就像室外空气温度不能直接决定您是否在家中舒适一样。真正重要的是内部温度，即半导体所经历的温度 - 毕竟，它是使电压调节器调节电压的晶体管，而不是塑料封装。这个内部温度被称为结温。

我们通常只能看到环境温度范围，因为结温常常与环境温度相似。如果你住在一个通风良好的木制小屋里，在户外用明火做饭，那么室内棚屋的温度与室外温度的差别不大。这只是工作中的热平衡。许多电子元件都会发生同样的事情，因为许多电子元件不能消耗大量电能。这是关键点。传感器，数据转换器，微控制器，逻辑门等倾向于耗散适量的功率，因此结温与环境温度没有很大差异。但线性稳压器则是另一回事。想象一下，如果你整天都在那个木屋里烤面包。这或多或少是电压调节器的作用，结果是结温可能会显着超过环境温度。因此，强大的线性稳压器设计的一个关键是确保即使在最坏的工作条件下结温也保持在可接受的范围内。

首先，计算功率

决定环境温度和结温之间差异的两个因素是功耗和热阻。首先让我们来看看功耗。

此图显示了两个当前路径线性稳压器;从输入引脚直接到地的路径称为接地电流（I GND ），通过供电电路从输入引脚到地的路径是负载电流（I LOAD ）。这两个电流产生的内部功耗为

\ [P_ {I_ {GND}} \ \ = I_ {GND} \倍V_ {IN} \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ P_ {I_ {LOAD}} \ \ \ = I_ {LOAD} \ times \ left（V_ {IN} -V_ {OUT} \ right）\]

因此，调节器内部的总功耗如下：

\ [P_ {TOTAL} = \ left（I_ {GND} \ times V_ {IN} \ right）+ \ left（I_ {LOAD} \ times \ left（V_ {IN} -V_ {OUT} \ right）\ right）\]

接地电流-ie，调节器内部电路在产生稳压输出电压的过程中消耗的电流通常远小于负载电流。因此，如果你不想检查接地电流规格，你可以忽略这个术语，结果应该非常接近。

热阻

调节器内部消耗的功率导致结温与环境温度之间的持续差异。所以我们知道调节器的内部电路总是比周围环境更热;问题是，多热了多少？这就是热阻发挥作用的地方。顾名思义，这个数量对应于阻止热量流动的程度。在调节器设计的背景下，更高的热阻意味着对从室内到周围环境内流动的热量有更大的阻力。较高的电阻意味着较少的热流，较少的热流意味着较大的稳态温差。这种关系反映在下面的等式中，其中热阻用θ表示，单位为°C/瓦特。

\ [\ Delta T_ {JA} = P_ {TOTAL} \ times \ theta_ { JA} \]

因此，如果您知道稳压器的功耗（P TOTAL ）以及内部电路对周围环境的热阻（ θ JA ），您可以计算环境温度和结温之间的差值（ΔT JA ）。不幸的是，确定θ JA 并不是很简单。

首先要理解的是θ JA 不是固定数量。这取决于您的PCB设计。实际上，这是一个关键点：您不能假设稳压器数据表中给出的环境温度范围对所有PCB布局都有效。换句话说，如果调节器受到最大输入电压和最大输出电流的影响，即使环境温度保持在可接受的范围内，高热阻PCB布局也可能导致器件过热。

小心的热设计可能至关重要！

让我们通过一个例子来说明在调节器设计中考虑热阻的重要性。该示例基于ADI公司的ADP3338低压差稳压器。相关规范如下：

首先我们需要回答以下问题：如果设备是遭受最坏的打击 - 工作条件，热阻必须有多低？我们可以按如下方式重新排列上述等式：

\ [\ theta_ {JA} = \ frac {\ Delta T_ {JA}} {P_ {TOTAL}} \]

插入适当的值，我们得到以下内容：

\ [\ theta_ {JA} = \ frac {\ left（150 ^ {\ circ} C-85 ^ {\ circ} C \ right）} {\ left（.03 \ A \ times8 \ V \ right）+ \ left（1 \ A \ times \ left（8 \ V-3.3 \ V \ right）\ right）} = \ frac {65 ^ {\ circ} C} {4.94 \ W } = 13.2 \ \ frac {^ {\ circ} C} {W} \]

到目前为止一切顺利。 。 。除了这么低的热阻是不可能的！请考虑ADP3338数据表中的下图：

该图旨在让您了解不同PCB布局的热阻。因此，如果您只是将此调节器焊接到电路板而不提供任何额外的铜来帮助散热，则热阻将大约十倍。即使是最右边的布局，其中包含一个宽大的铜垫，仍然远高于最坏情况下操作所需的13.2°C/W.您可以通过扩展铜区域并使用多个过孔来为其他PCB层提供热路径来进一步降低热阻，但在这种情况下，您将永远不会达到13.2°C/W.这是因为结到环境的热阻是外壳到环境的热阻（取决于布局）和结到外壳的热阻（仅取决于IC封装）和ADP3338的总和。结壳热阻为26.8°C/W，已经是这些最差工作条件所需的总热阻的两倍。当然，这是一个极端的例子。在实践中，你不会像这样将零件推到极限。通常，所需的热阻是可以实现的，但是您可能需要远远超过最小量的铜。

结论

线性稳压器的正确热设计容易被忽视，因为在许多情况下，操作条件与最坏情况相差甚远，即使热阻从未进入您的脑海，设计仍然有效。但这个过程实际上相当简单，它可以使你的电路板免于在高环境温度下失败的耻辱。您只需计算最坏情况下的功耗，然后根据数据表（或类似部件的数据表）中的信息估算热阻。然后，您可以计算器件结温低于指定最大值的最高环境温度。