详细说明热力学中影响热设计的因素

热力学中常犯的一个错误就是选择和线性稳压器一样简易的装置。当设计上台面后，设计师通常会意识到自己的错误。更糟的是，由于稳压器的运行温度超过其额定温度，这种设计在实际使用中会发生故障。凭借新型线性稳压器的新功能和规格，很容易忽视封装中消散的功率。

记住，线性稳压器基本上由一个旁路元件和一个控制器组成。该元件是一个晶体管，可以在控制回路的帮助下作为可变电阻器，在旁路元件和负荷之间形成一个分压器。

 

图1. 线性稳压器框图。注意，旁路元件将在其自身和负荷之间形成一个分压器，起到耗散功率的作用。

人们常常忽略了它并非一个神奇实体的事实。旁路元件上的电压会降低，并逐渐升温。例如，如果图1中的电路有100毫安的恒定负荷，则可以将其简化并模拟用于图2所示的热目的。当输入电压为5V，输出电压和功率分别为3.3V和100mA时，旁路元件耗散的功率将达到170MW。

那么如果输入电压为24伏时会怎样？此时的耗散功率为（24-3.3）×100 MA =2.07瓦。该功率会使许多150毫安的微型稳压器过热。当然，我们对此都了解。我们都知道，V = I * R和P = I* V。但是，我们要冷静思考，“但它只有100毫安，或50毫安，或等等。”那么宇宙的无情规律会偷袭，以极像吉布斯的方式打得我们措手不及[1]。

图2. 稳态下简化模式的线性稳压器可以显示功率耗散的位置。

这是我在第一级用来寻找线性稳压器的方法，就是要确定封装，更重要的是确定封装中的功率。如要计算功耗，则可非常快速地转到选择封装尺寸的问题上来。

1. 计算功耗。记住，线性稳压器仅仅是用来将额外的电压降转换成热量的一个可变电阻器（等式1）：

Pd= (Vi-V_OUT)*I_OUT（等式1）

2. 计算设计期望最大工作温度所需的θjA。θjA是相对于环境温度的结点热阻抗，基于印刷电路板（摄氏度/ W）的封装，通常是在150℃的典型最大结温（注意，有些部件的最高结温可能较低，一定要查看数据表）条件下计算出来的。所需θjA应为（方程式2）：

≤（最高结温 - 最高工作温度）/Pd（等式2）。

• 滤掉封装中的器件，这样θjA比满足此初始结温要求的上述计算结果要低。在最高结温时操作会影响其可靠性。视电路板、气流、环境和附近的其他热源而定，留一定的余量始终是一个很好的设计实践。

• 只要根据热需求对该清单进行缩减，则可以大大降低实现其它功能的难度，如：快速瞬态响应、电源良好、使能、低噪音等。

• 始终测试您的最终结果！在实验室使用热电偶测试一分钟比花费数小时计算更有价值。

 

使用该热计算器可简单计算出热量值。

可更深入地检查热分析，首次分析有助于滤掉无法正常工作的零件，并找出更可能正常工作的零件。下文提供的参考文献能够让您更深入了解这个话题，并介绍了影响热设计的更多其它因素。

 

参考文献

• Siva Gurrum和Matt Romig“使用用于模拟组件的热计算工具，”申请报告（SLUA566），德州仪器，2010年9月。

原文链接：https://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/archive/2015/01/10/watt-s-wrong-with-my-ldo

编辑：fqj