线性稳压器的热设计
出处:网络整理 发布于:2025-01-09 17:12:37
电流与功率
首先要了解的是,该器件的输出电流不是一个孤立的规格。输出电流影响功耗,而功耗又影响结温,如果结温过高,器件将无法正常工作。尽管大多数(也许是所有)现代线性稳压器都采用热保护电路,该电路将简单地限制输出电流以试图降低内部温度,但仍可能造成性损坏。无论哪种情况,你的设计都会出现故障;更糟糕的是,它可能会以奇怪或间歇性的方式发生故障,从而导致潜在的高水平的故障排除引起的挫败感。像往常一样,的补救措施是预防。
两种温度
在确认特定组件与系统的温度要求兼容时,我们通常会查看零件数据表中列出的工作环境温度范围。这对于大多数情况来说已经足够了,但仍然相当不。严格来说,环境温度并不能决定部件是否正常工作,就像室外气温不能直接决定您在屋内是否舒适一样。真正重要的是内部温度,即半导体所经历的温度——毕竟,是晶体管使电压调节器调节电压,而不是塑料封装。该内部温度称为结温。
我们通常只能查看环境温度范围,因为结温通常与环境温度相似。如果您住在通风良好的木棚里并在户外用明火做饭,那么棚屋内的温度与室外温度不会有太大差异。这只是工作中的热平衡。许多电子元件也会发生同样的情况,因为许多电子元件不会消耗大量功率。这是关键点。传感器、数据转换器、微控制器、逻辑门等往往会消耗适量的功率,因此结温与环境温度没有太大差异。但线性稳压器则是另一回事。想象一下,如果您整天都在那个木屋里烤面包。这或多或少就是稳压器正在做的事情,其结果是结温可能明显超过环境温度。因此,稳健的线性稳压器设计的关键之一是确保即使在坏的工作条件下结温也保持在可接受的范围内。
首先,计算功率
决定环境温度和结温之间差异的两个因素是功耗和热阻。首先让我们看看功耗。
该图显示了线性稳压器中的两个电流路径;从输入引脚直接到地的路径称为地电流 (I GND ),从输入引脚通过供电电路到地的路径称为负载电流 (I LOAD )。这两个电流产生的内部功耗为
PIGND =IGND×VIN PILOAD =ILOAD×\左(VIN?VOUT\右)
因此,稳压器内部的总功耗如下:
PTOTAL=(IGND×VIN)+(ILOAD×(VIN?VOUT))
接地电流(即稳压器内部电路在生成稳压输出电压的过程中消耗的电流)通常比负载电流小得多。因此,如果您不想检查接地电流规格,则可以简单地忽略此项,结果应该非常接近。热阻
稳压器内部消耗的功率导致结温与环境温度之间存在持续差异。所以我们知道稳压器的内部电路总是会比周围环境更热;问题是,热多少?这就是热阻发挥作用的地方。顾名思义,这个量对应于热流受到的阻力。在调节器设计的背景下,较高的热阻意味着对想要从常规内部流动到周围环境的热量有更大的阻力。电阻越高意味着热流越少,热流越少意味着稳态温差越大。这种关系反映在以下等式中,其中热阻用 θ 表示,单位为 °C/瓦。
ΔTJA=PTOTAL×θJA
因此,如果您知道稳压器的功耗 (P TOTAL ) 和从内部电路到周围环境的热阻 (θ JA ),您就可以计算出环境温度与结温之间的差值 (ΔT JA )。不幸的是,确定 θ JA并不完全简单。首先要明白的是 θ JA不是一个固定的量。这取决于您的 PCB 设计。实际上,这是一个关键点:您不能假设稳压器数据表中给出的环境温度范围对于所有 PCB 布局都有效。换句话说,如果使稳压器承受输入电压和输出电流,即使环境温度保持在可接受的范围内,高热阻 PCB 布局也可能导致部件过热。
因此,首先我们需要回答以下问题:如果器件处于坏的工作条件下,热阻必须有多低?我们可以将上面的等式重新排列如下:
θJA=ΔTJAPTOTAL
插入适当的值,我们得到以下结果:
θJ一个=(150°C-85°C)(.03 一个×8 V)+(1 一个×(8 V-3.3 V))=65°C4.94 瓦=13.2 °C瓦
但这么低的热阻是不可能的!请考虑 ADP3338 数据表中的下图:
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