LDO热性能评估指南

引言

在汽车行业中，车规级电池供电设备（如车载通信终端、信息娱乐系统及车载笔记本电脑等）对小型封装线性稳压器产生了强劲需求。这类设备需在复杂的车载电源环境下稳定工作，而线性稳压器凭借其低噪声、高精度的稳压特性，能够有效滤除车载电源中的纹波与干扰，为车规级设备提供可靠供电。

尽管低压差线性稳压器（LDO）具备成本低、电源质量高的优势，但同时也会带来功耗与发热问题。在高输入输出压差、大负载的应用场景中，该问题会进一步加剧，进而影响 LDO 的工作稳定性与使用寿命。因此，合理的评估LDO的热性能至关重要。

散热

与其他功率器件类似，LDO（低压差线性稳压器）通过对流方式散发芯片内部产生的热量，散热速率由系统固有的热阻决定。通常情况下，对流散热主要取决于结到环境的热阻（RθJA）。

除对流外，LDO 还会通过传导散热，热量主要经封装与电路板直接接触的部分导出。一般会采用散热器、强制风冷等方式降低 RθJA，但这类方案不可避免地会增加系统体积与成本。

除加装额外散热器或强化空气对流来改善散热外，还可通过优化 PCB 布局、提升热界面设计来增强热性能，这能显著提高传导散热效率。

LDO功耗

LDO（低压差线性稳压器）的功耗计算可采用简洁的解析方法。为 LDO 提供的输入电流（Iin）会流经两条不同支路：一条通过调整管流向输出端（Iout），另一条则通过内部偏置电路流向地（Ignd），如图 1 所示。

图 1 ：LDO 功耗

根据能量守恒原理，总输入功率必须等于总输出功率。因此，LDO 的输入功率等于输出到负载的功率与稳压器自身耗散功率之和。由此，LDO 的功耗可表示为：

Ploss= Pin−Pout= Vin×（Iout+Ignd）−Vout×Iout(1)

以NEX90530BPA‑Q100（HTSSOP8 封装、300 mA、40 V 超低静态电流低压差线性稳压器）为例。假设输入电压 Vin=13.5 V，输出电压 Vout=5 V (±1.5%)，输出电流 Iout=300 mA；根据图2所示的数据手册，该工况下静态电流 Ignd=1350 μA。那么可以算得功耗为：Ploss= 13.5 V × (300 + 1.35) mA – 5.075 × 300 mA = 2.545725 W.

图 2 ：NEX90530BPA‑Q100 接地电流与输出电流关系

利用热阻估算结温

所有安世半导体产品都会提供每款芯片的详细热阻参数。热阻受多种因素影响，例如芯片尺寸、芯片贴装工艺、封装形式、PCB 布局以及铜箔厚度等。因此，我们通常依据 JEDEC 标准，通过仿真方式给出热阻参数。

热阻参数种类较多，其中部分参数具有明确的物理意义。图3所示为焊接在 PCB 上的芯片的热阻网络。其中，RθJA、RθJB和 RθJC是应用最广泛的参数，可帮助工程师进行热设计与热管理。

图 3 ：芯片焊接在 PCB 上的热阻网络

由图 3 可见，热量从芯片结区散发至封装外壳，芯片裸片与上外壳之间的热阻为 RθJC。同时，热量也可通过引线框架、芯片贴装层及焊膏从裸片向下传导至 PCB，RθJB表示裸片与 PCB 之间的热阻。

此外，热量会通过多条不同路径从芯片结区传递到空气中，RθJA是综合所有散热路径的等效热阻，包括通过封装的对流散热、通过 PCB 的传导散热以及外露表面的辐射散热。

如上所述，热阻与 PCB 高度相关。因此，直接使用数据手册提供的热阻计算温升可能存在误差，因为手册中的热阻是基于JEDEC 标准仿真板得到的，与实际应用的系统板存在较大差异。实际上，这些热阻主要用于对比评估不同器件的热性能，而非直接用于计算实际温升。

在实际应用中，通常会逐工况实测热阻 RθJA，通过芯片的温差与功耗之比计算得出，公式如下：

RθJA(℃/W) =∆TPloss(2)

继续以 NEX90530BPA-Q100 为例，如图 4 所示，我们将演示如何基于本演示板计算 RθJA。该评估板（EVM）采用双层设计（60 mm × 40 mm），铜箔厚度为 2oz，总散热面积约 3900 mm²；芯片下方顶层的散热焊盘通过 5 个过孔与底层相连，以提升导热效率。

图 4 ：NEVB-NEX90530BPA-Q100 演示板

首先，通过增大电压差或负载电流来提高器件的功耗，使其恰好进入热关断保护状态。此时可认为芯片结温达到 175 °C。

此时，结温和环境温度的温差等于 175°C 减去室温（通常取 25°C），功耗Ploss可通过公式 (1) 计算得出。根据测试结果，当输入电压 Vin=17.6 V、输出电压 Vout=5 V、负载电流 300 mA 时，NEX90530BPA-Q100 触发热关断保护，此时功耗 Ploss=3.80376 W。利用公式 (2) 可计算得到热阻RθJA，其中∆T=175 °C–25 °C=150 °C，因此RθJA=39.43 °C/W。为验证该结果，使用T3ster 热阻测试仪按照JEDEC标准重新测试，得到热阻 RθJA=38.9 °C/W，与实测结果接近。随后可利用该 RθJA估算芯片在不同温度下的带载能力。例如，若要评估环境温度 TA=125 °C 时 NEX90530BPA-Q100 可承受的负载大小，可设定结温 TJ=150 °C（数据手册中给出的最高工作结温），通过下式计算得到最大允许功耗为 0.634 W。当输入电压 Vin=13.5 V、环境温度 TA=125 °C 时，最大输出电流 IOUT_MAX≈ 74.5 mA。

Ploss=∆TRθJA(3)

然而，在某些情况下，热阻并非用于计算散热的最佳参数，因为热阻的定义为温差除以对应支路的功耗。如图 5 所示，热阻模型可等效为包含热源与热阻的等效电路。

图 5 ：散热等效电路模型

为更好地评估热性能，采用热特性参数 ΨJT（亦记作 Psi-JT）来量化器件结温与封装上表面中心温度的温差和器件总功耗之间的比值，表达式如下：

ψJT(℃/W) =TJ−TCPloss(4)

我们可以利用 ΨJT计算壳温，也可以通过 ΨJT与壳温来评估结温TJ。仍以 NEX90530BPA-Q100 为例，假设环境温度 TA=25 °C，输入电压 Vin=13.5 V，输出电压 Vout=5 V，输出电流 Iout=300 mA，通过公式 (1) 可计算得出功耗 Ploss=2.545725 W。然后根据公式 (2)，结温 TJ与环境温度 TA的温差为 100.37 °C，即 TJ=125.37 °C。再利用仿真得到的 ΨJT=5 °C/W，可计算得出壳温 TC=112.64 °C。如图 6 所示，实测结果表明计算值与测试结果非常接近。

图 6 ：NEVB-NEX90530BPA-Q100 演示板热性能测试结果

我们也可以通过壳温 TC计算结温 TJ。在相同条件下，若测得壳温 TC为 113°C，并计算得出功耗 Ploss= 2.545725 W，可通过公式 (4) 得到结温 TJ，即 TJ= ΨJT× Ploss+ TC= 125.72 °C。

总结

在电路设计初期，可使用 RθJA和 RθJC估算芯片结温，为对比不同器件的热性能提供指导。在实际应用中，若要精确评估结温，则需要基于实际 PCB 测量并计算热阻：RθJA通常用于计算带载能力，ΨJT则常用于评估芯片壳温，或通过壳温计算结温。

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