安全使用三端穩壓器必備的散熱基礎知識

三端穩壓器是一種可以用來對電源進行降壓的簡單電子器件。由于降壓部分直接因發熱而成為熱損耗，因此在從很高的電壓降壓時或在大電流條件下使用時，需要安裝合適的散熱器。

研究發現，溫度每升高2℃，電子元器件的不良率就會增加10%，因此，適當的散熱設計對于提高電子元器件的可靠性和延長使用壽命而言至關重要。

1 三端穩壓器的最大電流取決于溫度

三端穩壓器有多種類型，其最大輸出電流涵蓋0.5A到2A的范圍。但是，在最大電流條件下使用時，需要配備合適的散熱器。

在三端穩壓器的技術規格書中，列出了單獨使用IC時和帶散熱器使用IC時的兩種容許功耗。

ROHM的三端穩壓器BA17805CP的技術規格書。針對沒有散熱器的IC單體，容許功耗被限制在2W。

三端穩壓器的輸出能力在很大程度上取決于散熱器的性能。實際上，說到使用散熱器，可能很多人都會有一些困惑，比如“需要多大的散熱器？”、“怎樣測量溫度才好？”等不同于電子作品制作的問題。

在本文中，我們將以三端穩壓器為例，為您介紹電子元器件溫度測量的基礎知識和熱設計的思路。

2 確認無散熱器的三端穩壓器的實力

這次使用的是ROHM的三端穩壓器BA17805CP。雖然是一款最大輸出電流為1A的三端穩壓器，但其IC單體的容許損耗卻高達2W。

在介紹熱設計之前，讓我們先了解一下在沒有散熱器的狀態下運行三端穩壓器并測量電子器件溫度的方法。

這次我們將使用輸出電壓為5V的ROHM三端穩壓器“BA17805CP”。

在這款三端穩壓器的技術規格書中，列出了“無散熱器狀態下的容許功耗為2W”。在這里我們要進行從12V降壓到5V的降壓工作，所以最大電流的計算值可以通過下列公式獲得：

考慮到高達2W的三端穩壓器損耗，得出的結論是可以承受約為0.29A的最大電流。

用粘合劑將熱電偶固定在三端穩壓器的封裝表面。建議使用固化劑或AB環氧膠，這樣可以固定得更牢固。

我們使用熱電偶測量三端穩壓器的溫度。還有一些支持使用熱電偶測量溫度的測試儀，利用這類測試儀也可以輕松地高精度測量溫度。

這次我們將重點介紹普遍適用的基本測量方法，如果您想以更高精度測量電子元器件的溫度，建議您參考這里的應用指南（→使用熱電偶測量溫度時的注意事項｜ROHM）

做好準備后，在連接了能使三端穩壓器的損耗達到2W的負載的狀態下，觀察溫度上升情況。

（左）電流測量值，（中）封裝表面溫度，（右）被測量的三端穩壓器

給三端穩壓器施加了稍高的負載，使損耗達到2.1W，略微超過了額定值。由于連接的熱電偶會散發一些熱量，所以可以認為情況會比計算值要好。

我們增加電流直到BA17805CP的過熱保護功能要啟動卻尚未啟動的程度，最終輸出電流達到0.31A。

此時的表面溫度約為119℃。如果負載進一步增加，輸出將在幾分鐘之內被過熱保護電路關斷。至于容許損耗，其結果與技術規格書中的值幾乎相同。

3 通過計算求出結溫

前面介紹了使用熱電偶測量溫度的方法，但需要注意的是，這里測量的溫度是封裝的表面溫度。

技術規格書中給出的IC的最大額定工作溫度是IC封裝的內部溫度，被稱為“結溫(TJ)”，并不是封裝的表面溫度。所以僅僅測量封裝的溫度并不能掌握結溫。

根據封裝表面溫度計算結溫時，需要使用含有熱特性參數ΨJT（與使用無限大散熱器時的熱阻θJC同義）的計算公式。

根據測量得到的封裝表面溫度值、技術規格書中給出的θJC和功耗值，可以計算出結溫如下：

結溫為131℃，看起來距離IC的最大額定工作溫度150℃仍有余量，但如果再繼續增加電流，輸出就會因過熱而被關斷。

這是由于測量誤差造成的，通常認為受引線和熱電偶布線的影響，會使測得的封裝表面溫度低于實際的表面溫度。

4 如何找到可以輸出1A的散熱器

我們看到使用三端穩壓器單體時，只能輸出最高0.3A的電流，現在，我們安裝散熱器讓輸出達到1A。在這里介紹一下如何根據計算選擇散熱器。

要想選擇最佳的散熱器，通常會使用一種稱為“散熱等效電路”的手法。

散熱等效電路是一種通過將與熱相關的各元素視為電子元器件，來計算IC的發熱量和求出熱阻的方法。在散熱等效電路中，各發熱元素會如下替換并考量：

熱源   →　功率（功率損耗）

各點的溫度　→　電壓

熱阻   →　電阻

在這個散熱等效電路中，以下公式成立：

這次求的是表示散熱器熱阻的θHA。在這里，我們將公式變形以使其更易于計算。其余各值均可從產品目錄和技術規格書中獲取，通過輸入這些必要條件即可計算出θHA。

溫度設置：最高結溫TJ為150℃，室溫TA為25℃。因為從12V降壓至5V時最大輸出為1A，所以功耗P為7W。

結和外殼之間的熱阻θJC在三端穩壓器的技術規格書中已經提供，因此我們將直接使用這個值。本次使用的BA17805CP的θJC為5.7[℃/W]。

表示接觸熱阻的θCH，使用將導熱硅脂或散熱片的導熱系數λ轉換為熱阻值的公式。其轉換公式如下：

在這里，導熱硅脂使用的是Sunhayato生產的導熱硅脂SCH-20（導熱系數：0.84W/m?k）。在TO220CP-3封裝上使用這種硅脂時，熱阻值為0.79℃/W（厚度0.1mm時）。

將這些值代入前面的θHA公式中得到以下結果：

從這個結果中，我們可以看出如果使用熱阻為11.36[℃/W]以下的散熱器，就可以輸出1A。

秋月電子銷售的GLOBAL ELECTRONICS公司生產的17PB046 01025的熱阻為11.98[℃/W]，正好是接近該熱阻值的散熱器。雖然這款散熱器與要求的熱阻不是完全吻合，但是它很容易買到，所以我們用這款散熱器試試能否實現1A輸出。

（左）GLOBAL ELECTRONICS生產的散熱器17PB046 01025和（右）Sunhayato生產的導熱硅膠SCH-20。兩者都可以在電子元器件商店或網上買到。

將三端穩壓器用螺釘固定在散熱器上。在自然空冷條件下，熱阻會隨著散熱器的放置方式而變化。

將三端穩壓器固定在散熱器上之后，調整負載并增加電流，直到過熱保護電路要啟動卻尚未啟動的程度。

我們看到以0.96A的電流讓三端穩壓器開始運行了。該結果與計算得出的該散熱器支持的最大輸出電流0.95A幾乎相同。

在連接散熱器的狀態下測量三端穩壓器的封裝表面溫度時，實測值為108℃。將該測量結果和三端穩壓器的損耗（6.7W）代入前面的結溫計算公式，得出以下結果：

您可以看到，三端穩壓器在接近額定工作溫度的條件下工作。在這種狀態下如果稍微增加一點負載，輸出將在幾分鐘內被關斷。

如上所述，進行熱設計時，可以按照這類方法來選擇與三端穩壓器的能力相匹配的最佳散熱器。

5 如何穩定輸出1A

前面我們介紹了使三端穩壓器輸出達到1A的方法，但這是在最高結溫150℃和環境溫度25℃的條件下計算得出的，只要溫度略有變化，就可能立即超出額定值。

為了能夠將其實際裝入到電路中，必須在結溫和環境溫度有余量的條件下進行熱設計。

例如，從12V降壓到5V、輸出1A的三端穩壓器，在結溫120℃、環境溫度60℃的條件下計算時，要求散熱器的熱阻是θHA=2.08[℃/W]以下。

如果使用鋁擠壓成型的散熱器（自然空冷）滿足這個熱阻要求的話，需要重量接近300克的產品。

只要您掌握了上述熱設計要點，不用實際組裝電路并實測溫度，也能正確選擇所需的散熱器。

6 散熱設計是電源電路的基礎，也不能忘了實測

本文重點介紹了三端穩壓器的發熱情況和熱計算，其中，使用散熱等效電路進行熱設計是一種也適用于其他電子元器件的方便方法。

不考慮電子元器件的發熱就制作電子電路的話，會給安裝散熱器的空間和元器件放置造成障礙，最終還會導致故障或成本增加。

這里介紹的熱設計和溫度測量是很簡單的方法，如果要進行更高精度的溫度測量，還需要進一步的知識和技巧。不過，僅憑本文介紹的方法，也可以有效管理電子元器件的發熱了。

進行熱設計還有一些先進的計算工具，但不管怎樣實測驗證是必不可少的。特別是在近年來的產品中，功率晶體管、功率IC等發熱元器件的種類增多，發熱密度也越來越大。歡迎大家參考這篇文章，積極解決發熱問題。