Термический дизайн с линейными регуляторами напряжения
Будет ли ваш линейный регулятор функционировать должным образом при всех возможных условиях эксплуатации? Чтобы узнать, вам нужно понять рассеивание мощности и тепловое сопротивление.
Вспомогательная информация
Цепи питания
Дизайнер Остерегайтесь
На первый взгляд линейные регуляторы напряжения кажутся такими простыми. Техническое описание детали указывает максимальное входное напряжение, максимальный выходной ток и выходное напряжение (если выход фиксирован, а не переменный). Если ваши требования к дизайну несколько более требовательны, вы также можете проверить точность выходного напряжения, выходного напряжения, выходного шума и рабочего диапазона температуры окружающей среды. Если все эти характеристики выглядят хорошо, вы можете зайти в часть, и все будет хорошо, не так ли? Ну, в большинстве случаев, да, все будет хорошо, но также возможно, что дизайн полностью потерпит неудачу.
Ток против мощности
Первое, что нужно понять, это то, что максимальный выходной ток части не является изолированной спецификацией. Выходной ток влияет на рассеивание мощности, а рассеиваемая мощность влияет на температуру перехода, и если температура соединения становится слишком высокой, часть перестанет функционировать должным образом. Постоянный ущерб возможен, хотя большинство (возможно, все) современных линейных регуляторов включают схемы тепловой защиты, которые просто ограничивают выходной ток в попытке уменьшить внутреннюю температуру. В любом случае ваш дизайн будет работать неправильно; что еще хуже, он может работать некорректно или прерывисто, что приводит к потенциально высоким уровням разочарования, вызванного поиском и устранением неисправностей. Лучшим средством, как обычно, является профилактика.
Две температуры
При подтверждении того, что конкретный компонент совместим с требованиями к температуре системы, мы обычно смотрим на диапазон рабочей температуры окружающей среды, указанный в техническом описании детали. Это достаточно для большинства ситуаций, но оно тем не менее довольно неточно. Строго говоря, температура окружающей среды не определяет, будет ли деталь функционировать должным образом, так же, как температура наружного воздуха напрямую не определяет, комфортно ли вы в своем доме. Что действительно важно, так это внутренняя температура, т. Е. Температура, испытываемая полупроводниками. В конце концов, это транзисторы, которые регулируют напряжение, а не пластиковый пакет. Эта внутренняя температура называется температурой перехода.
Обычно мы можем рассматривать не что иное, как диапазон температуры окружающей среды, потому что температура перехода часто похожа на температуру окружающей среды. Если вы живете в черновой деревянной лачуге и готовите на открытом воздухе над открытым огнем, температура внутренней хижины не будет сильно отличаться от температуры наружного воздуха. Это просто тепловое равновесие на работе. То же самое происходит со многими электронными компонентами, потому что многие электронные компоненты не рассеивают значительное количество энергии. Это критическая точка. Датчики, преобразователи данных, микроконтроллеры, логические ворота и т. Д. Имеют тенденцию рассеивать умеренные количества мощности, и, следовательно, температура перехода не сильно отличается от температуры окружающей среды. Но линейные регуляторы напряжения - это совсем другая история. Представьте, если вы выпекаете хлеб в этой деревянной хижине - весь день. Это более или менее то, что делает регулятор напряжения, и результатом является температура перехода, которая может значительно превышать температуру окружающей среды. Следовательно, один ключ к надежной конструкции линейного регулятора гарантирует, что температура соединения остается в допустимом диапазоне даже в самых неблагоприятных условиях эксплуатации.
Во-первых, вычислить мощность
Двумя факторами, определяющими разницу между температурой окружающей среды и температурой перехода, являются рассеиваемая мощность и тепловое сопротивление. Сначала давайте посмотрим на рассеивание мощности.
На этой диаграмме показаны два пути тока в линейном регуляторе; путь от входного штыря непосредственно к земле называется током заземления (I GND), а путь от входного штыря к земле через схему питания - это ток нагрузки (I LOAD). Внутренняя рассеиваемая мощность, возникающая в результате этих двух токов, равна
(P_ {I_ {GND}} \ = I_ {GND} times V_ {IN} \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ P_ {I_ {LOAD}} \ \ = I_ {LOAD} times \ влево (V_ {В} -V_ {OUT} справа) )
Таким образом, полная рассеиваемая мощность внутри регулятора следующая:
(P_ {TOTAL} = \ left (I_ {GND} times V_ {IN} right) + \ left (I_ {LOAD} times \ left (V_ {IN} -V_ {OUT} right) right) )
Ток заземления, т. Е. Ток, потребляемый внутренней схемой регулятора в процессе формирования регулируемого выходного напряжения, обычно будет намного меньше тока нагрузки. Поэтому, если вам не хочется проверять основные характеристики земли, вы можете просто проигнорировать этот термин, и результат должен быть довольно близким.
Тепловое сопротивление
Мощность, рассеиваемая внутри регулятора, приводит к постоянной разнице между температурой перехода и температурой окружающей среды. Поэтому мы знаем, что внутренняя схема регулятора всегда будет более горячей, чем окружающая среда; вопрос в том, насколько жарче? Здесь возникает тепловое сопротивление. Как следует из названия, эта величина соответствует тому, насколько сопротивляется поток тепла. В контексте конструкции регулятора более высокое тепловое сопротивление означает, что существует большая устойчивость к теплу, который хочет течь изнутри обычной в окружающую среду. Более высокое сопротивление означает меньший тепловой поток, а меньший тепловой поток означает большую постоянную разность температур. Это соотношение отражается в следующем уравнении, где термическое сопротивление обозначается θ и имеет единицы ° C / ватт.
( Delta T_ {JA} = P_ {TOTAL} times \ Theta_ {JA} )
Поэтому, если вы знаете рассеивание мощности регулятора (P TOTAL) и тепловое сопротивление от внутренней схемы до окружающей среды (θ JA), вы можете рассчитать разницу между температурой окружающей среды и температурой перехода (ΔT JA). К сожалению, определение θ JA не совсем прямолинейно.
Первое, что нужно понять, это то, что θ JA не является фиксированной величиной. Это зависит от вашего дизайна печатной платы. На самом деле, это критическая точка: вы не можете предположить, что диапазон температуры окружающей среды, указанный в таблице данных регулятора, действителен для всех схем печатных плат. Другими словами, если вы подчиняете регулятор максимальному входному напряжению и максимальному выходному току, компоновка печатной платы с высокой теплостойкостью может привести к перегреву детали, даже если температура окружающей среды остается в допустимом диапазоне.
Тщательный тепловой дизайн может быть очень важен
Давайте рассмотрим пример, демонстрирующий важность рассмотрения термостойкости в ваших конструкциях регулятора. Этот пример основан на низковольтном регуляторе напряжения ADP3338 от Analog Devices. Соответствующие спецификации заключаются в следующем:
| Максимальный ток нагрузки | 1000 мА |
| Максимальный ток заземления | 30 мА |
| Выходное напряжение | 3, 3 В |
| Максимальное входное напряжение | 8 В |
| Максимальная температура перехода | 150 ° С |
| Максимальная температура окружающей среды | 85 ° С |
Поэтому сначала нам нужно ответить на следующий вопрос: если устройство подвержено худшим условиям эксплуатации, насколько низко должно быть тепловое сопротивление? Мы можем изменить это уравнение следующим образом:
( Theta_ {JA} = \ frac { Delta T_ {JA}} {P_ {TOTAL}} )
Вставляя соответствующие значения, получаем следующее:
( 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} С} {W} )
Все идет нормально.,, за исключением того, что тепловое сопротивление это низкое невозможно! Рассмотрим приведенную ниже диаграмму из таблицы ADP3338:
Эта диаграмма призвана дать вам представление о том, какое тепловое сопротивление можно ожидать от разных компоновки печатных плат. Поэтому, если вы просто припаиваете этот регулятор к своей доске, не предоставляя дополнительной меди для рассеивания тепла, тепловое сопротивление будет примерно в десять раз выше. Даже макет на дальнем правом углу, который включает в себя щедрую медную панель, по-прежнему намного выше, чем 13, 2 ° C / Вт, необходимого для наихудшего случая. Вы можете дополнительно уменьшить тепловое сопротивление, расширив область меди и используя многочисленные переходы, чтобы обеспечить тепловой путь к другим слоям печатной платы, но в этом случае вы никогда не достигнете 13, 2 ° C / W. Это связано с тем, что тепловое сопротивление перехода к окружающей среде представляет собой сумму теплового сопротивления от корпуса к окружающей среде (которое зависит от компоновки) и термосопротивления в зависимости от конкретного случая (которое зависит только от упаковки IC), и ADP3338 тепловое сопротивление от перекрестного замыкания составляет 26, 8 ° C / Вт - уже в два раза выше, чем общее тепловое сопротивление, необходимое для этих условий работы в наихудшем случае. Конечно, это крайний пример. На практике вы не подталкиваете часть к своим пределам, как это. Обычно требуемое тепловое сопротивление возможно, но вам может потребоваться гораздо больше, чем минимальное количество меди.
Вывод
Правильный температурный дизайн для линейных регуляторов легко упускать из виду, поскольку во многих случаях рабочие условия настолько далеки от худшего случая, что дизайн будет работать, даже если тепловое сопротивление никогда не будет так сильно, как попадает в ваш разум. Но процесс на самом деле довольно прост, и он может спасти вашу доску от позора неудачи при высокой температуре окружающей среды. Вы просто вычисляете наихудшее рассеивание мощности, а затем оцениваете тепловое сопротивление, а также можете основываться на информации в техническом паспорте (или в таблице данных для аналогичной части). Затем вы можете рассчитать максимальную температуру окружающей среды, при которой температура перехода устройства будет ниже указанного максимума.