LDO 基础知识：散热 – 我们的应用有多热？

1.前言

低压差 (LDO) 稳压器的本质是通过将多余的功率转化为热量来调节电压，使该集成电路成为低功率或小 V IN至 V OUT差分应用的理想解决方案。考虑到这一点，选择合适的 LDO 和合适的封装对于最大限度地提高应用程序的性能至关重要。这是一些设计师做噩梦的地方，因为最小的可用封装并不总是适合所需的应用程序。

选择 LDO 时要考虑的最重要特性之一是其热阻 (R θJA )。此功能说明了 LDO 在特定封装中散热的效率。较高的 R θJA值表明封装在传热方面不是很有效，而较低的值表明器件更有效地传热。

对于较小的封装，R θJA通常会更高。例如，TPS732 根据其封装具有不同的热阻值：小外形晶体管 SOT-23（2.9mm x 1.6mm）封装热阻为 205.9°C/W，而 SOT-223（6.5mm x 3.5mm) 封装的 53.1°C/W。这意味着 TPS732 每耗散 1W 温度将升高 205.9°C 或 53.1°C。我们可以在器件数据表的热信息下找到这些值，如表 1 所示。

表 1：不同封装的热阻

2.你有合适的封装吗？

LDO 的推荐工作结温介于 -40°C 至 125°C 之间；同样，我们可以在各自的数据表中检查这些值，如表 2 所示。

表 2 : 推荐的工作温度

这些推荐温度意味着器件将按照数据表的电气特性表中的规定运行。我们可以使用公式 1 来确定哪个封装将在合适的温度下运行：

公式 1：结温公式

其中 T J是结温，

T A是环境温度，

R θJA是热阻（来自数据表），

P D是功耗和

I ground是接地电流（来自数据表）。

这是一个使用 TPS732 将 5.5V 电压降至 3V、提供 250mA 电流并同时使用 SOT-23 和 SOT-223 封装的快速示例。

3.热关断

结温为 154.72°C 的器件不仅超出了推荐的温度规格，而且还非常接近热关断温度。关断温度通常为 160°C；这意味着如果器件的结温高于 160°C，则器件的内部热保护电路被激活。该热保护电路禁用输出电路，允许设备冷却并保护其免受过热损坏。当器件的结温冷却到 140°C 左右时，热保护电路将被禁用并再次重新启用输出电路。如果我们不降低环境温度和/或耗散功率，则设备可能会由于热保护电路而出现开关振荡。

一种明确的设计解决方案是使用更大的封装，因为它在推荐的温度下运行。

以下是一些减少热量的提示和技巧。

4.增加接地、V IN和 V OUT接触面

当功率耗散时，热量通过导热垫从 LDO 逸出；因此，增加印刷电路板 (PCB) 中输入、输出和接地平面的尺寸将降低热阻。如下图 1 所示，地平面通常尽可能大，并覆盖大部分未被其他电路走线占用的 PCB 区域。这个尺寸指南是由于来自许多组件的返回电流，并确保这些组件处于相同的参考电位。最终，接触面有助于避免可能损害系统的电压降。大平面还有助于提高散热能力并最大限度地减少走线电阻。增加铜走线尺寸和改善热界面显着提高了传导冷却效率。

图 1： SOT-23 封装的 PCB 布局

在设计多层 PCB 时，使用接地层覆盖整个电路板的单独层通常是个好主意。这有助于我们将任何组件接地，而无需额外走线。元件引线通过板上的孔直接连接到包含接地层的层。

5.安装散热器

散热器会降低 R θJA，但会增加系统的尺寸和成本。选择散热器时，底板的尺寸应与其连接的设备相似。这将有助于在散热器表面均匀分布热量。如果散热器尺寸与其所连接的表面尺寸不同，则热阻会增加。

由于其物理尺寸，像 SC-70（2 毫米 x 1.25 毫米）和 SOT-23（2.9 毫米 x 1.6 毫米）这样的封装并不经常与散热器一起使用。另一方面，我们可以将 TO-220（10.16mm x 8.7mm）和 TO-263（10.16mm x 9.85mm）等封装与散热器配对。下面的图 2 显示了四种封装之间的差异。

图 2：封装差异

我们可以将一个电阻与输入电压串联，以分担一些耗散功率，下面的图 3 显示了一个示例。此技术的目标是使用电阻将输入电压降至最低输入电压可能。

图 3：串联配置的电阻器

由于 LDO 需要停留在饱和区才能正常调节，我们可以通过将所需的输出电压加上压降来获得最小输入电压。公式 2 表示这两个 LDO 属性的设置：

公式 2：最大电阻公式

使用 TPS732 示例中的条件（使用 250mA 将 5.5V 调节到 3V），我们可以使用下面的公式 3 来计算电阻的最大值及其可以耗散的最大功率：

公式 3：最大功耗公式

确保选择一个电阻器，以免超过其“耗散功率额定值”。额定值表示电阻器可以在不损坏自身的情况下转化为热量的瓦数。

所以如果 V IN = 5.5V，

V OUT = 3V，

V DROPOUT = 0.15V（来自数据表），

I OUT = 250mA 和

I GROUND = 0.95mA（来自数据表），然后：

6.PCB布局

如果 PCB 上的其他发热设备非常靠近 LDO，它们可能会影响 LDO 的温度。为避免温度升高，请确保将 LDO 放置在尽可能远离那些发热设备的位置。

7.结论

有很多方法可以为应用程序执行高效、注重尺寸和低成本的散热解决方案。关键在于早期设计考虑，以便让所有选项都可用。在管理热考虑因素时，选择合适的组件并非易事，但正确的设备和技术将有助于成功的设计过程。