LDO使用之熱阻考慮(共3頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 在通常的LDO設(shè)計(jì)中，熱阻參數(shù)的考慮常常被忽略。但是，該參數(shù)對電源系統(tǒng)的影響卻是很大的，因?yàn)長DO的該參數(shù)若是選擇不當(dāng)，就容易造成LDO芯片功耗過大、過熱而進(jìn)入熱保護(hù)狀態(tài)，導(dǎo)致電源斷電。 最近在一個(gè)系統(tǒng)的電源芯片的選型中（系統(tǒng)輸入為3.3V，需要得到1.8V的電壓，該1.8V所需最大電流250mA左右），為了減小紋波對系統(tǒng)性能的影響，考慮用LDO來進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，最初選擇了Sipex一個(gè)LDO（SP6205EM5-ADJ，SOT-23-5）。 該芯片的主要參數(shù)為：2.7V5.5V的電壓輸入范圍；500mA電流輸出；輸出電壓可調(diào)；具有限流和熱保護(hù)功能；等。 咋一看，該電

2、源芯片可滿足系統(tǒng)需求，250mA的所需電流用500mA也是余量足夠了。但與同事討論，其說該芯片根本達(dá)不到500mA的輸出電流，因?yàn)槠錈嶙栎^高。于是，我開始詳細(xì)的閱讀該芯片Datasheet，發(fā)現(xiàn)其確實(shí)存在該問題。以下討論都是以該芯片的SOT-23-5封裝為例說明。Thermal Resistance：SOT-23-5（QJA）：191/W DFN-8（QJA）：59 /W最大功率消耗為：PD(max) = （TJ(max)-TA）/ JA，其中，TJ為節(jié)點(diǎn)溫度，TA為環(huán)境溫度，JA為熱阻。當(dāng)芯片超過了最大允許功耗時(shí)，節(jié)點(diǎn)溫度會(huì)過高，從而芯片進(jìn)入熱保護(hù)模式。SP6205-ADJ（SOT-23-5

3、封裝）的最大功耗為：PD(max) = ( 125 25 ) / (191 /W) = 523 mW實(shí)際工作過程中，芯片功耗為：PD = ( Vin Vout)*Iout+ Vin * IGND （1） 通常，IGND為uA級(jí)（比如：SP6205在500mA輸出時(shí)的IGND=0.35mA），若要求不是特別精確，基本可忽略Vin*IGND該項(xiàng)的影響。 因此，芯片實(shí)際工作時(shí)的功耗必須限制在最大允許功耗范圍內(nèi)，超過PD(max)則芯片進(jìn)入熱保護(hù)模式。根據(jù)式（1），我們就可以算出以下參數(shù)：（a）在已知輸入輸出壓差的條件下，得出最大輸出電流例如：輸入電壓5V，輸出電壓3V，則：523mW = (5V 3

4、V)*I(load(max) + 5V * 0.35mA，則 I(load(max) = 260.6mA。（b）在已知負(fù)載電流的條件下，得出輸入輸出允許最大壓差例如：輸出電壓為3V，負(fù)載電流為400mA，則：523mW = （Vin 3V）* 400mA + Vin * 0.35mA，則 Vin(max) = 4.3V，Vmax=1.3V。 所以，在LDO電源芯片選型的過程中，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況的需求，認(rèn)真考慮其熱阻參數(shù)。 回到本文開頭說提到的系統(tǒng)需求，計(jì)算得到的實(shí)際最大輸出電流為：I(load(max) = 347mA。與芯片500mA的輸出電流相比，電流余量大大降低了。而且，該電流最大值是在

5、環(huán)境溫度25理想情況下計(jì)算得到的，隨著工作時(shí)間的推移，芯片的溫度會(huì)逐漸升高，該輸出電流的最大值還會(huì)進(jìn)一步降低。其500mA的輸出電流只有在輸入輸出壓差1V以內(nèi)、室溫25的情況下才可以得到。 從以上分析可見，LDO的熱阻參數(shù)對其它參數(shù)（如輸出電流、輸入輸出壓差等）是有較大影響的，必須予以考慮。選型時(shí)應(yīng)盡量選擇熱阻小的芯片或封裝，尤其是同一型號(hào)芯片的不同封裝，其熱阻會(huì)相差較大，比如以上電源芯片SP6205的DFN-8封裝，其熱阻就只有59/W，較之SOT-23-5封裝的191/W小了不少。封閉外殼越大，熱阻越小，直觀地理解，因?yàn)檩^大的外殼有更大的表面面積，因而對熱量的傳導(dǎo)更有效。注意，針對較大的封

6、裝，我們指明了管芯的尺寸。這里列出的數(shù)據(jù)是各類封裝所適用的最大管芯尺寸。在相同外殼的情況下，管芯越小熱阻越大，因?yàn)樗鼈兒屯鈿さ慕佑|面面積越來越小。為邏輯器件確定封裝形式的工程師們感興趣的是管芯本身的熱阻、管芯和外殼之間的結(jié)合方式、嵌入封裝的導(dǎo)熱或散熱材料、外殼材料（陶瓷比塑料的導(dǎo)熱性更好）和封裝的物理構(gòu)造（平而薄的封裝優(yōu)于厚而方的封裝）。不斷攀升的復(fù)雜性和不斷縮小的體積要求導(dǎo)致了過熱問題，這已成為電子行業(yè)的重大挑戰(zhàn)之一。在可靠性預(yù)測過程中，溫度是大多數(shù)結(jié)構(gòu)失效中的關(guān)鍵加速器。LED、半導(dǎo)體和封裝系統(tǒng)或子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工程師大多采用復(fù)雜的熱分析軟件來分析各自的產(chǎn)品，然而得到的分析結(jié)果精確與否卻依賴于

7、所提供參數(shù)的正確性。上、 下游之間數(shù)據(jù)是否透明、可靠以及方便索取非常關(guān)鍵。這些數(shù)據(jù)的透明和傳輸不僅棘手，過程繁復(fù)，而且需要人工干預(yù)，因而也容易出錯(cuò)?，F(xiàn)在，明導(dǎo) (Mentor Graphics)公司推出的T3Ster熱特性瞬態(tài)測試儀和FloTHERM熱仿真軟件之間實(shí)現(xiàn)了這一接口，能夠保證工程師通過真實(shí)的熱測試和熱封裝特 性測試獲取精確的仿真分析模型。T3Ster熱瞬態(tài)測試儀是一款符合JEDEC JESD51-14測試標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，它能夠很好地實(shí)現(xiàn)功率半導(dǎo)體器件的結(jié)殼熱阻測試(圖1)。T3Ster技術(shù)能夠保證被測產(chǎn)品的高精度和高數(shù)據(jù)可重復(fù)性測試。T3Ster產(chǎn)品提供了非破壞性的熱測試方法。它通過改

8、變電子器件的輸入功率，使得器件產(chǎn)生溫度變化。在變化過程中，T3Ster通過測試設(shè)備的 TSP(溫度傳感器參數(shù)，或稱為熱相關(guān)參數(shù))得到電子器件的瞬態(tài)溫度響應(yīng)曲線。對溫度變化曲線進(jìn)行數(shù)值處理后，抽取出其結(jié)構(gòu)函數(shù)。然后再從結(jié)構(gòu)函數(shù)中自動(dòng) 分析出熱阻和熱容等熱屬性參數(shù)。這一全面的熱特性分析過程僅在幾分鐘即可完成。T3ster測試技術(shù)并不是基于“脈沖方法”的熱測試設(shè)備。“脈沖方法”由 于是基于延時(shí)測量的技術(shù)，所以其測出的溫度瞬態(tài)測試曲線精度不高。而T3ster采用的是“運(yùn)行中”的實(shí)時(shí)測量方法，結(jié)合其精密的硬件可以快速精確撲捉到 高信噪比的溫度瞬態(tài)曲線。利用配備的USB接口卡，測試儀器可以和任何一臺(tái)電腦(

9、包括筆記本電腦)互聯(lián)，測試的數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)分析也可以在測試后進(jìn)行分析。T3ster配備的分析軟件可以通過對話框控制T3ster儀器的參數(shù)，如電壓、電流、加熱等。在測試時(shí)，分析軟件可以進(jìn)行實(shí)時(shí)瞬態(tài)數(shù)據(jù)采集，采集的數(shù)據(jù)也可以實(shí)時(shí)以圖像的形式進(jìn)行顯示。除進(jìn)行數(shù)據(jù)采集外，其后處理軟件T3Sster-Master 還提供了數(shù)據(jù)的分析功能。只需幾秒鐘，軟件就可以將采集的數(shù)據(jù)以函數(shù)的形式表現(xiàn)出來。利用軟件內(nèi)置的材料庫，通過測試出的瞬態(tài)數(shù)據(jù)，軟件便可以分析出測試 出被測物體的幾何參數(shù)，如熱流路徑上的截面積等等。T3ster可適用于許多電子器件和材料的測試，包括：分離或集成的三極管、LED封裝、晶閘管、大功率IG

10、BT和MOSFET等器件；任何復(fù)雜的IC器 件；具有單獨(dú)加熱器和溫度傳感器的熱測試芯片；復(fù)合材料(如PCB的導(dǎo)熱系數(shù))等各種材料；以及各類材料之間的表面接觸熱阻測量。FloTHERM軟件是一款用于電子元器件及系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)的強(qiáng)大的3D仿真軟件，它使用高級(jí)CFD(計(jì)算流體力學(xué))技術(shù)模擬電子系統(tǒng)的氣流、溫度和傳熱(圖2)。通過使用精確的熱仿真，工程師便能在產(chǎn)品的實(shí)物樣品制造之前自動(dòng)評估和測試設(shè)計(jì)方案。結(jié)合使用T3Ster和FloTHERM能夠優(yōu)化設(shè)備、子系統(tǒng)和整個(gè)系統(tǒng)的熱管理。借助這一組合技術(shù)，能夠很好地優(yōu)化LED和IC封裝設(shè)計(jì)，達(dá)到有效的散 熱效果。在設(shè)備樣機(jī)制作好后，通過熱測試分析便可獲得子系統(tǒng)和系統(tǒng)的特性，并為FloTHERM熱仿真分析軟件創(chuàng)建精確的子系統(tǒng)和系統(tǒng)的模型。此后，系統(tǒng) 集成商還可以通過T3Ster硬件來進(jìn)一步驗(yàn)證熱管理方案。封裝特性測試能夠預(yù)見封裝結(jié)構(gòu)的熱阻和熱容。仿真分析軟件能為工程師提供所測試結(jié)構(gòu)具體部位的信息。建模過程中熱界面材料較難處理，因?yàn)椴荒芨叨染_地確 定它們的傳導(dǎo)率和厚度。因此，T3Ster產(chǎn)品所實(shí)施的熱封