您的線性穩(wěn)壓器在所有可能的工作條件下都能正常工作嗎？要找到答案，您需要了解功耗和熱阻。

乍一看，線性穩(wěn)壓器看起來如此簡單。器件的數(shù)據(jù)表顯示了最大輸入電壓，最大輸出電流和輸出電壓（如果輸出是固定的而不是可變的）。如果您的設(shè)計(jì)要求要求更高，您還可以檢查輸出電壓的精度，壓差電壓，輸出噪聲和工作環(huán)境溫度范圍。如果所有這些規(guī)格看起來都很好，你可以放入零件，一切都會(huì)好的，對嗎？好吧，大部分時(shí)間，是的，一切都會(huì)好的，但設(shè)計(jì)也可能徹底失敗。

電流與功率

首先要了解的是器件的最大輸出電流不是隔離的規(guī)格。輸出電流會(huì)影響功耗，功耗會(huì)影響結(jié)溫，如果結(jié)溫過高，器件將無法正常工作。永久性損壞是可能的，盡管大多數(shù)（可能全部）現(xiàn)代線性穩(wěn)壓器都包含熱保護(hù)電路，該電路將簡單地限制輸出電流以試圖降低內(nèi)部溫度。無論哪種情況，您的設(shè)計(jì)都會(huì)出現(xiàn)故障;更糟糕的是，它可能以奇怪或間歇的方式發(fā)生故障，導(dǎo)致潛在的高故障排除導(dǎo)致的挫敗感。像往常一樣，最好的補(bǔ)救措施是預(yù)防。

兩個(gè)溫度

當(dāng)確認(rèn)特定組件與系統(tǒng)的溫度要求兼容時(shí)，我們通常查看器件數(shù)據(jù)表中列出的工作環(huán)境溫度范圍。這對于大多數(shù)情況來說已經(jīng)足夠了，但它仍然是不精確的。嚴(yán)格來說，環(huán)境溫度并不能確定部件是否能正常工作，就像室外空氣溫度不能直接決定您是否在家中舒適一樣。真正重要的是內(nèi)部溫度，即半導(dǎo)體所經(jīng)歷的溫度 - 畢竟，它是使電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)電壓的晶體管，而不是塑料封裝。這個(gè)內(nèi)部溫度被稱為結(jié)溫。

我們通常只能看到環(huán)境溫度范圍，因?yàn)榻Y(jié)溫常常與環(huán)境溫度相似。如果你住在一個(gè)通風(fēng)良好的木制小屋里，在戶外用明火做飯，那么室內(nèi)棚屋的溫度與室外溫度的差別不大。這只是工作中的熱平衡。許多電子元件都會(huì)發(fā)生同樣的事情，因?yàn)樵S多電子元件不能消耗大量電能。這是關(guān)鍵點(diǎn)。傳感器，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，微控制器，邏輯門等傾向于耗散適量的功率，因此結(jié)溫與環(huán)境溫度沒有很大差異。但線性穩(wěn)壓器則是另一回事。想象一下，如果你整天都在那個(gè)木屋里烤面包。這或多或少是電壓調(diào)節(jié)器的作用，結(jié)果是結(jié)溫可能會(huì)顯著超過環(huán)境溫度。因此，強(qiáng)大的線性穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵是確保即使在最壞的工作條件下結(jié)溫也保持在可接受的范圍內(nèi)。

首先，計(jì)算功率

決定環(huán)境溫度和結(jié)溫之間差異的兩個(gè)因素是功耗和熱阻。首先讓我們來看看功耗。

此圖顯示了兩個(gè)當(dāng)前路徑線性穩(wěn)壓器;從輸入引腳直接到地的路徑稱為接地電流（I GND ），通過供電電路從輸入引腳到地的路徑是負(fù)載電流（I LOAD ）。這兩個(gè)電流產(chǎn)生的內(nèi)部功耗為

\ [P_ {I_ {GND}} \ \ = I_ {GND} \倍V_ {IN} \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ P_ {I_ {LOAD}} \ \ \ = I_ {LOAD} \ times \ left（V_ {IN} -V_ {OUT} \ right）\]

因此，調(diào)節(jié)器內(nèi)部的總功耗如下：

\ [P_ {TOTAL} = \ left（I_ {GND} \ times V_ {IN} \ right）+ \ left（I_ {LOAD} \ times \ left（V_ {IN} -V_ {OUT} \ right）\ right）\]

接地電流-ie，調(diào)節(jié)器內(nèi)部電路在產(chǎn)生穩(wěn)壓輸出電壓的過程中消耗的電流通常遠(yuǎn)小于負(fù)載電流。因此，如果你不想檢查接地電流規(guī)格，你可以忽略這個(gè)術(shù)語，結(jié)果應(yīng)該非常接近。

熱阻

調(diào)節(jié)器內(nèi)部消耗的功率導(dǎo)致結(jié)溫與環(huán)境溫度之間的持續(xù)差異。所以我們知道調(diào)節(jié)器的內(nèi)部電路總是比周圍環(huán)境更熱;問題是，多熱了多少？這就是熱阻發(fā)揮作用的地方。顧名思義，這個(gè)數(shù)量對應(yīng)于阻止熱量流動(dòng)的程度。在調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)的背景下，更高的熱阻意味著對從室內(nèi)到周圍環(huán)境內(nèi)流動(dòng)的熱量有更大的阻力。較高的電阻意味著較少的熱流，較少的熱流意味著較大的穩(wěn)態(tài)溫差。這種關(guān)系反映在下面的等式中，其中熱阻用θ表示，單位為°C/瓦特。

\ [\ Delta T_ {JA} = P_ {TOTAL} \ times \ theta_ { JA} \]

因此，如果您知道穩(wěn)壓器的功耗（P TOTAL ）以及內(nèi)部電路對周圍環(huán)境的熱阻（ θ JA ），您可以計(jì)算環(huán)境溫度和結(jié)溫之間的差值（ΔT JA ）。不幸的是，確定θ JA 并不是很簡單。

首先要理解的是θ JA 不是固定數(shù)量。這取決于您的PCB設(shè)計(jì)。實(shí)際上，這是一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：您不能假設(shè)穩(wěn)壓器數(shù)據(jù)表中給出的環(huán)境溫度范圍對所有PCB布局都有效。換句話說，如果調(diào)節(jié)器受到最大輸入電壓和最大輸出電流的影響，即使環(huán)境溫度保持在可接受的范圍內(nèi)，高熱阻PCB布局也可能導(dǎo)致器件過熱。

小心的熱設(shè)計(jì)可能至關(guān)重要！

讓我們通過一個(gè)例子來說明在調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)中考慮熱阻的重要性。該示例基于ADI公司的ADP3338低壓差穩(wěn)壓器。相關(guān)規(guī)范如下：

首先我們需要回答以下問題：如果設(shè)備是遭受最壞的打擊 - 工作條件，熱阻必須有多低？我們可以按如下方式重新排列上述等式：

\ [\ theta_ {JA} = \ frac {\ Delta T_ {JA}} {P_ {TOTAL}} \]

插入適當(dāng)?shù)闹担覀兊玫揭韵聝?nèi)容：

\ [\ theta_ {JA} = \ frac {\ left（150 ^ {\ circ} C-85 ^ {\ circ} C \ right）} {\ left（.03 \ A \ times8 \ V \ right）+ \ left（1 \ A \ times \ left（8 \ V-3.3 \ V \ right）\ right）} = \ frac {65 ^ {\ circ} C} {4.94 \ W } = 13.2 \ \ frac {^ {\ circ} C} {W} \]

到目前為止一切順利。 。 。除了這么低的熱阻是不可能的！請考慮ADP3338數(shù)據(jù)表中的下圖：

該圖旨在讓您了解不同PCB布局的熱阻。因此，如果您只是將此調(diào)節(jié)器焊接到電路板而不提供任何額外的銅來幫助散熱，則熱阻將大約十倍。即使是最右邊的布局，其中包含一個(gè)寬大的銅墊，仍然遠(yuǎn)高于最壞情況下操作所需的13.2°C/W.您可以通過擴(kuò)展銅區(qū)域并使用多個(gè)過孔來為其他PCB層提供熱路徑來進(jìn)一步降低熱阻，但在這種情況下，您將永遠(yuǎn)不會(huì)達(dá)到13.2°C/W.這是因?yàn)榻Y(jié)到環(huán)境的熱阻是外殼到環(huán)境的熱阻（取決于布局）和結(jié)到外殼的熱阻（僅取決于IC封裝）和ADP3338的總和。結(jié)殼熱阻為26.8°C/W，已經(jīng)是這些最差工作條件所需的總熱阻的兩倍。當(dāng)然，這是一個(gè)極端的例子。在實(shí)踐中，你不會(huì)像這樣將零件推到極限。通常，所需的熱阻是可以實(shí)現(xiàn)的，但是您可能需要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過最小量的銅。

結(jié)論

線性穩(wěn)壓器的正確熱設(shè)計(jì)容易被忽視，因?yàn)樵谠S多情況下，操作條件與最壞情況相差甚遠(yuǎn)，即使熱阻從未進(jìn)入您的腦海，設(shè)計(jì)仍然有效。但這個(gè)過程實(shí)際上相當(dāng)簡單，它可以使你的電路板免于在高環(huán)境溫度下失敗的恥辱。您只需計(jì)算最壞情況下的功耗，然后根據(jù)數(shù)據(jù)表（或類似部件的數(shù)據(jù)表）中的信息估算熱阻。然后，您可以計(jì)算器件結(jié)溫低于指定最大值的最高環(huán)境溫度。