應(yīng)用筆記 | 成功實(shí)現(xiàn)LDO穩(wěn)壓器熱設(shè)計(jì)的6大步驟

通常我們使用LDO穩(wěn)壓器IC（以下簡(jiǎn)稱(chēng)LDO），可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)DC-DC轉(zhuǎn)換。作為電壓調(diào)節(jié)工具，LDO在輸入輸出電壓差小的時(shí)候效率非常好，但是在電壓差大的時(shí)候，由于其工作特性，會(huì)導(dǎo)致較高的功率損耗并發(fā)熱嚴(yán)重。

因此，適當(dāng)?shù)臒嵩O(shè)計(jì)對(duì)于確保產(chǎn)品長(zhǎng)期可靠性工作至關(guān)重要。如果忽視熱設(shè)計(jì)，可能會(huì)因過(guò)熱而導(dǎo)致性能下降，最壞的情況下會(huì)使設(shè)備故障。一旦出現(xiàn)問(wèn)題，就要重新選擇元器件、修改電路板、重新設(shè)計(jì)散熱等，對(duì)日程和成本產(chǎn)生巨大影響。

羅姆提供了一些關(guān)于熱設(shè)計(jì)的應(yīng)用說(shuō)明，以提高產(chǎn)品的可靠性并減少設(shè)計(jì)階段的返工。此白皮書(shū)只介紹其中的一部分。

應(yīng)用手冊(cè)的說(shuō)明

圖1展示了在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，羅姆為用戶(hù)提供的工具和支持。

圖1. 羅姆提供的設(shè)計(jì)支持工具

此應(yīng)用手冊(cè)是用戶(hù)在開(kāi)發(fā)過(guò)程中各階段所需技術(shù)信息的匯總文檔，提供了從基礎(chǔ)到實(shí)踐的全方位支持。 本文將通過(guò)6大步驟，介紹如何完善LDO熱設(shè)計(jì)。

步驟1：了解LDO工作原理

步驟2：估算結(jié)溫

步驟3：考慮降低溫度的各種措施

步驟4：利用熱仿真

步驟5：進(jìn)行最佳的電路板設(shè)計(jì)

步驟6：準(zhǔn)確地進(jìn)行熱測(cè)量

步驟1：了解LDO工作原理

由于熱設(shè)計(jì)會(huì)涉及到LDO的功率損耗，因此有必要了解LDO的工作原理。首先請(qǐng)根據(jù)《 線性穩(wěn)壓器的基礎(chǔ) 》（圖2）來(lái)確認(rèn)線性穩(wěn)壓器的效率。根據(jù)該應(yīng)用手冊(cè)的公式3，效率可由 ???? = ???? ???????????? / ???? ???????? ×100[%] 計(jì)算得出，輸入輸出間的電壓差越大，效率越低。換句話說(shuō)，輸入輸出間的電壓差越大，功率損耗和發(fā)熱就越大。記住這一點(diǎn)進(jìn)行下一步。

圖2. 線性穩(wěn)壓器的基礎(chǔ)

步驟2：估算結(jié)溫

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制作電路板前，由于實(shí)際溫度無(wú)法測(cè)量，所以要通過(guò)理論來(lái)估算溫度。結(jié)溫是根據(jù)LDO的功率損耗、封裝熱阻、PCB熱阻和環(huán)境溫度等參數(shù)估算出來(lái)的、這一步驟請(qǐng)參考《 線性穩(wěn)壓器的熱計(jì)算 》（圖3）。

圖3. 線性穩(wěn)壓器的熱計(jì)算

在進(jìn)行估算時(shí)，必須要知道每個(gè)參數(shù)。結(jié)溫的絕對(duì)最大額定值因設(shè)備不同而不同，但規(guī)格書(shū)中一定會(huì)記載相關(guān)信息。例如，典型LDO的最高結(jié)溫為150°C（圖4）。

圖4. 規(guī)格書(shū)上列出的結(jié)溫的絕對(duì)最大額定值 BD9xxN5-C系列 為例

封裝的熱阻也是規(guī)格書(shū)中必須列出的信息之一（圖5）。

圖5. 規(guī)格書(shū)上列出的封裝的熱阻 BD9xxN5-C系列 為例

當(dāng)負(fù)載電流隨時(shí)間變化時(shí)，需要使用瞬態(tài)熱阻抗來(lái)求得結(jié)溫。在《 使用瞬態(tài)熱阻抗計(jì)算結(jié)溫的方法 》中，如（圖6），總結(jié)了根據(jù)瞬態(tài)熱阻抗計(jì)算結(jié)溫的方法。

圖6. 使用瞬態(tài)熱阻抗計(jì)算結(jié)溫的方法

在LDO的輸出有大容量電容器的情況下、啟動(dòng)時(shí)會(huì)給輸出電容充電，產(chǎn)生一個(gè)大的沖擊電流。結(jié)溫不能因這個(gè)過(guò)電流而超過(guò)額定值。確認(rèn)方法總結(jié)在《 根據(jù)沖擊電流計(jì)算結(jié)溫 》（圖7）。

圖7. 根據(jù)沖擊電流計(jì)算結(jié)溫

傳統(tǒng)TO220封裝的3端子穩(wěn)壓器，使用散熱片的熱設(shè)計(jì)文檔，請(qǐng)參考《 3端子穩(wěn)壓器的熱設(shè)計(jì) 》。

圖8. 3端子穩(wěn)壓器的熱設(shè)計(jì)

步驟3：考慮降低溫度的各種措施

到目前為止的估算中，當(dāng)結(jié)溫超過(guò)最大額定值時(shí)，需要考慮各種各樣的條件，一般詳情總結(jié)如下。

IC封裝

?選擇熱阻較低的封裝，例如更大的封裝尺寸、焊盤(pán)外露或帶有散熱FIN的封裝。

PCB

?增加PCB的銅箔厚度。

?擴(kuò)大PCB的銅箔面積。

?增加PCB層數(shù)。

?優(yōu)化散熱孔的配置。

外圍器件與應(yīng)用方式

?通過(guò)串聯(lián)二極管或電阻器分散發(fā)熱源。

?對(duì)LDO進(jìn)行級(jí)聯(lián)連接，分散發(fā)熱源。

?把電源系統(tǒng)分成多個(gè)，分散發(fā)熱源。

?降低輸入電壓減小LDO的壓差以提高效率。

?提高輸出電壓減小LDO的壓差以提高效率。

?考慮使用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。

步驟4：利用熱仿真

在熱設(shè)計(jì)中，和電氣設(shè)計(jì)一樣，仿真也是一種有效的手段。尤其是聯(lián)合仿真，即同時(shí)對(duì)電氣和熱學(xué)兩方面進(jìn)行仿真，有助于分析電子元件和電路的熱學(xué)行為，優(yōu)化設(shè)計(jì)并提高可靠性。

ROHM Solution Simulator可進(jìn)行在線實(shí)時(shí)仿真并即時(shí)查看結(jié)果。圖9是 線性穩(wěn)壓器IC仿真示例 ，在輸入電壓，PCB類(lèi)型和環(huán)境溫度等不同條件下對(duì)結(jié)溫進(jìn)行估算。另外，每個(gè)仿真電路都配有User’s Guide。

圖9. 線性穩(wěn)壓器IC仿真示例 和 User's Guide

此外，在熱設(shè)計(jì)中的仿真當(dāng)中，使用三維熱流體的仿真。在多個(gè)熱源相鄰，或使用強(qiáng)制風(fēng)冷、水冷的情況下，雖然可以進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算，但為了追求精度，需要包含內(nèi)部結(jié)構(gòu)、熱物理性質(zhì)等信息的詳細(xì)模型。由于缺乏詳細(xì)模型的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，仿真工具之間無(wú)法兼容，不同公司的模型質(zhì)量也參差不齊。雖然精度比詳細(xì)模型低，但羅姆在Web上公開(kāi)了雙熱阻模型。雙熱阻模型在仿真工具之間具有兼容性，所需分析時(shí)間也較少，所以適用于在設(shè)計(jì)初期大致決定電路板尺寸和元器件位置，以及不同封裝之間的相對(duì)差異。在《 熱仿真用 雙熱阻模型 》（圖10）中是關(guān)于雙熱阻模型的說(shuō)明、在《 雙熱阻模型的使用方法 》（圖11）中說(shuō)明了如何下載雙熱阻模型以及如何使用熱仿真。根據(jù)不同的用途，可以有效的使用不同的仿真方法。但是，最終還是需要實(shí)測(cè)來(lái)進(jìn)行判斷。

圖10. 熱仿真用 雙熱阻模型

圖11. 雙熱阻模型的使用方法

步驟5：進(jìn)行最佳的電路板設(shè)計(jì)

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近幾年的技術(shù)趨勢(shì)是產(chǎn)品小型化和重視設(shè)計(jì)為導(dǎo)向，要求在有限的體積內(nèi)放置多個(gè)元器件。在電路板設(shè)計(jì)中，考慮電氣特性、EMC（電磁兼容性）和散熱特性是非常重要的，這些特性的良好平衡可以實(shí)現(xiàn)高可靠性的電路板設(shè)計(jì)。因?yàn)楫a(chǎn)品不同，優(yōu)先度也不同，所以沒(méi)有絕對(duì)的答案、在《 PCB Layout 熱設(shè)計(jì)指導(dǎo) 》（圖12）中描述了在PCB（印刷電路板）設(shè)計(jì)時(shí)降低熱阻抗的關(guān)鍵點(diǎn)，以及當(dāng)多個(gè)熱源相鄰時(shí)的影響。

圖12. PCB Layout 熱設(shè)計(jì)指導(dǎo)

另外，根據(jù)不同的產(chǎn)品，還準(zhǔn)備了其他封裝的熱阻數(shù)據(jù)，如《 TO252封裝熱阻抗信息 》（圖13）所示，請(qǐng)靈活使用。在步驟2中提到的瞬態(tài)熱電阻的數(shù)據(jù)也包含在其中。

圖13. TO252封裝熱阻抗信息

貼片功率IC的封裝背面有散熱焊盤(pán)，可以提高散熱效率。散熱焊盤(pán)通過(guò)回流焊連接到PCB板的銅箔表面，但如果此處使用的焊盤(pán)網(wǎng)板尺寸設(shè)計(jì)不當(dāng)，就會(huì)出現(xiàn)安裝問(wèn)題。《 元器件引腳焊盤(pán)網(wǎng)板的設(shè)計(jì)方針與示例 》（圖14）提供了網(wǎng)板的設(shè)計(jì)指南。

圖14. 元器件引腳焊盤(pán)網(wǎng)板的設(shè)計(jì)方針與示例

樣機(jī)完成后，必須對(duì)其進(jìn)行檢查，以確保其按設(shè)計(jì)完成。這里重要的是溫度測(cè)量。用ΨJT估算結(jié)溫時(shí)使用熱電偶。《 使用熱電偶測(cè)量溫度時(shí)的注意事項(xiàng) 》（圖15）重點(diǎn)介紹了在使用熱電偶測(cè)量溫度時(shí)容易出現(xiàn)問(wèn)題的關(guān)鍵點(diǎn)，并提供了實(shí)際測(cè)量結(jié)果。另一種方法是利用芯片中二極管的正向電壓來(lái)估算結(jié)溫。《 使用pn結(jié)的正向電壓測(cè)量溫度的注意事項(xiàng) 》（圖16）介紹如何正確選擇二極管和測(cè)量方法。

圖15. 使用熱電偶測(cè)量溫度時(shí)的注意事項(xiàng)

圖16. 使用pn結(jié)的正向電壓測(cè)量溫度的注意事項(xiàng)

最后，必須根據(jù)估算的結(jié)溫做出判斷。根據(jù)開(kāi)發(fā)階段和應(yīng)用結(jié)構(gòu)的不同，估算結(jié)溫的方法也不同。《 熱評(píng)估判定標(biāo)準(zhǔn) 》（圖17）介紹了幾種估算結(jié)溫的方法，可以作為判斷的依據(jù)。

圖17. 熱評(píng)估判定標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)論

本應(yīng)用手冊(cè)分步驟介紹了關(guān)于提高產(chǎn)品可靠性和減少設(shè)計(jì)階段返工所需的熱設(shè)計(jì)信息。此外，還從元器件選型到仿真，評(píng)價(jià)，PCB板制作的每個(gè)流程準(zhǔn)備了最適合的解決方案，致力于解決用戶(hù)的課題。羅姆相信，這些內(nèi)容有助于加快開(kāi)發(fā)速度，預(yù)防問(wèn)題和故障的發(fā)生。