LDO简介和基本选型要素 LDO热耗定义相关说明

ldo使用中特别需要关注热耗的影响
一、ldo简介
ldo,其实ldo是线性电源的一种,即low drop out低压降的线性电源,这个dropout是线性电源的一个重要特性,行业内最低好像能实现50mv的压降,即输入3.35v,输出可以做到输出3.3v。
ldo主要特征如下,这些特征使得ldo具有很广泛的应用:
1)输入电流≈输出电流。
2)输出干净,纹波非常小,高频噪声比较低。
3)能够抑制低频段噪声,抑制能力很强。
4)ldo自身消耗的功耗相对较大,其自身功耗≈(输入电压—输出电压)*输入电流,pd≈(vin-vout)*iout。
5)ldo一般可用于模拟电路的供电,推荐小于0.5w以下的供电需求使用。
二、ldo基本选型要素
1)输入电压范围vin;
2)输出电压范围vout;
3)输出电流大小iout;
4)输入输出压差vdo;
5)静态电流;
6)其他功能如输出使能引脚、软起动引脚、偏置电压引脚等。
除了以上的选型要素,ldo虽然电路非常简单,但是在使用过程中还有蛮多的注意事项,下文提到的热耗就是一个特别重要的ldo设计考虑要素。
三、ldo热耗定义相关说明
1、与热耗相关的一些温度参数
上图是一个ldo器件焊接在pcb上的一个示意图,里面展现了与温度相关的一些参数以及位置说明。
序号温度参数具体定义
1 tc 芯片外壳的温度,测量点在芯片封装的顶部中间(一般用于老的封装)
2 tt 芯片外壳的温度(同tc),测量点在芯片封装的顶部中间(一般用于现在的表面贴装器件)。
3 tb 靠近芯片安装位置附近的pcb板表面测量的温度,测量点在芯片四周pcb板表面(1mm间隔)
4 tp 芯片封装底部散热焊盘上的温度(如果暴露在外可测量的话),测量点在芯片底部散热焊盘上
5 ta 芯片所处的环境温度,测量点处于产品内部空气中
6 tj 芯片结温,测量点处于芯片内部
7 tstg 芯片存储温度
8 tsd 芯片热关断温度
2、与热耗相关的一些热阻参数,热阻代表单位功耗下,两个不同位置之间的温度差,表征芯片两个位置之间热传导的能力。
序号热阻参数具体定义
1 rθ rθ(℃/w)=temp(℃)/power(w)
2 rθja 芯片内部结到芯片环境的热阻
3 rθjc(top) 芯片内部结到芯片外壳顶部(中间)的热阻
4 ψjt 芯片内部结到芯片顶部的特性参数(类热阻)
5 ψjb 芯片内部结到电路板(1mm处)的特性参数(类热阻)
6 rθjc(bottom) 芯片内部结到芯片外壳底部(散热焊盘)的热阻
3、与热耗相关的结温的不同计算方法,结温是ldo器件内部温度,是我们考虑热耗最终衡量的目标。
序号计算结温的公式说明
1 tj = tt + ψjt * pd 基于芯片外壳顶部的温度计算
2 tj = tb + ψjb * pd 基于芯片附近1mmpcb板表面温度计算
3 tj = ta + rθja * pd 基于芯片的环境温度计算
4 tj = tc + rθjc * pd 基于芯片外壳顶部温度计算(老封装)
四、常用ldo热耗示意说明(选取项目中常用的两个器件,也是本文的动机)
1、ltm4615
4615支持2路4a的dc/dc输出和1路1.5a的ldo输出,这里举例应用如下:
dc/dc通道1:输入5v,输出2.5v,输出电流1.2a;
dc/dc通道2:输入5v,输出1.8v,输出电流1a;
ldo通道:输入3.3v,输出1.5v,输出电流0.4a;
1)计算ltm4615的热耗
对于dc/dc通道来说,其热耗主要跟dc/dc的转换效率有关,参照上表可知,dc/dc通道1的热耗<0.6w@1.2a,dc/dc通道2的热耗<0.5w@1a。
对于ldo通道,根据公式pd≈(vin-vout)*iout,则热耗pd≈(3.3-1.5)*0.4=0.72w。
则总的热耗≈0.6+0.5+0.72=1.82w。
2)计算ltm4615的温升
对于ltm4615来说,考虑最恶劣情况(无风、无底部散热器),rθja=15(℃/w),则根据公式tj = ta + rθja * pd,其中ta为产品环境温度,一般环境要求高温为70℃(实际产品内部环境温度会更高,eg:80℃),tj = 80 + 15 * 1.82 = 107.3℃,满足<120℃的结温要求(一般最高为125℃结温)。
综上:ltm4615使用时,dc/dc-1:输入5v,输出2.5v,输出电流1.2a;
dc/dc-2:输入5v,输出1.8v,输出电流1a;ldo通道:输入3.3v,输出1.5v,输出电流0.4a;满足使用要求。
但是若ld0通道:选择输入3.3v,输出1.5v,输出电流1a时,ldo的热耗pd≈(3.3-1.5)*1=1.8w,总功耗则≈0.6+0.5+1.8=2.9w。tj = 80 + 15 * 2.9 = 123.5℃,则不满足<120℃的结温要求,此时虽然该ldo的总输出电流1a<ldo的额定输出1.5a,但使用时仍存在隐患。因此在使用ldo时一定要关注ldo的热耗,尽可能压降小一点。
2、tps74401
tps74401支持1路3a的ldo输出,这里举例应用如下:
ldo通道:输入2.5v,输出1.2v,输出电流1a,选用封装为rgw(qfn);
1)计算tps74401的热耗
对于ldo通道,根据公式pd≈(vin-vout)*iout,则热耗pd≈(2.5-1.2)*1=1.3w。
2)计算tps74401的温升
对于tps74401来说,考虑pcb尺寸为2in2,rθja=45(℃/w),则根据公式tj = ta + rθja * pd,其中ta为产品环境温度,一般环境要求高温为70℃(实际产品内部环境温度会更高,eg:80℃),tj = 80 + 45 * 1.3= 138.5℃,不满足该器件结温要求,存在高温隐患。
3)验证tps74401的温升
在板子实际做出来后,可以通过测量tt或者tb,来进一步验证tps74401的结温,用红外测温仪分别测量74401的封装顶部中间位置的温度tt以及距离74401周边1mm的pcb板的温度tb,分别进行计算结温。
tj = tt + ψjt * pd = ?+ 0.5* 1.3
tj = tb + ψjb * pd = ?+ 10.5* 1.3
通常来说两种不同的方法测量计算出来的结果会比较匹配,如果不匹配,则可能具体哪个参数出现了变化。且一般ψjt、ψjb会比rθja计算结果更为准确。
五、降低热阻的常见做法
通过上面的分析我们知道,对于ldo来说,其热耗是其非常重要,需要重点关注的一个指标,热耗*热阻等于结温温升,结温温升限制了ldo的使用温度范围。因此除了常见的通过降低ldo的输入输出压降、输出电流控制热耗外,还可以通过降低热阻来进行优化,其具体做法包括:
1)通过pcb布局优化,ldo远离发热器件;
2)通过pcb布线优化,ldo的输入输出端的铜皮尽可能大一点,底部散热焊盘的散热过孔等;
3)通过散热冷板优化,通过散热冷板进行传热以降低rθja;
4)根据不同热耗需求选择不同封装的ldo。
5)还可以在ldo输入端串接电阻分散热耗,但需要注意电阻选型。

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