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關于車用36V低耗電LDO與熱處理問題的分析和介紹

立錡科技 ? 來源:djl ? 2019-10-09 16:19 ? 次閱讀

汽車是一個相當復雜的可運動實體,它內部各處可能的溫度范圍是完全不同的,給人的感受也完全不一樣。我很不喜歡在行車以后打開引擎蓋,撲面而來的熱流讓我覺得很不舒服,但是呆在車廂里就是我很喜歡的狀態,即使是在陽光照耀之下,我也常常關著車窗就在車里睡覺,因為我的車頂天窗裝有一塊太陽能電池,它在車輛處于駐車狀態時會主動驅動換氣扇給車內送入新風,根本不用擔心悶死人的狀況會發生在我身上。

按照權威機構提供的信息,汽車內部各處的可能溫度范圍如下表所示:

關于車用36V低耗電LDO與熱處理問題的分析和介紹

為了滿足各種不同溫度級別的需要,各種針對元器件認證級別也就誕生了:

關于車用36V低耗電LDO與熱處理問題的分析和介紹

在溫度范圍越寬的地方,對所用產品品質的管控也會越嚴格,需要采取的措施也會越多,所以,即使簡單如 LDO,產品也會分出不同的級別來。

上期文章已經提到符合車規的 36V、2μA 耗電線性穩壓器有兩個型號,RT2560Q 和 RTQ2569-QA,負載能力都是 100mA,認證級別分別為 AEC-Q100 Grade 3 和 Grade 1,也就是說 RT2560Q 可以在 -40℃~85℃ 范圍內正常使用,RTQ2569-QA 可以在 -40℃~125℃ 范圍內正常使用,用戶可以根據自己的需要進行選擇,它們的成本不一樣,帶給用戶的保障也會不同。

RT2560Q 在電路圖上是一副三端穩壓器的樣子:

關于車用36V低耗電LDO與熱處理問題的分析和介紹

它的封裝卻很奢侈,為帶有外露式散熱焊盤的 SOP-8,其外觀及引腳分布如下圖所示:

關于車用36V低耗電LDO與熱處理問題的分析和介紹

RT2560Q 的封裝和引腳分布

RTQ2569-QA 則使用了 WDFN 封裝,平面尺寸為 3mmX3mm,厚度只有 0.8mm(最大值),體積比前者小很多,功率耗散能力為 2.85W(在 25℃ 環境溫度下,空氣處于靜止狀態),超過了前者的 2.041W,這就讓它擁有了更高的熱承載能力,使用性能會更好些,可以使用在空間受限的地方。

關于車用36V低耗電LDO與熱處理問題的分析和介紹

RTQ2569-QA 的封裝和引腳分布

線性穩壓器的功耗是用下述公式進行計算的:

PD = (VIN - VOUT) × IOUT + VIN × IQ

這個功耗會轉換為熱量并通過傳導的方式從芯片內核向外殼傳播,再由外殼向周圍環境傳導或是輻射。熱量從內核向外殼傳導時遇到的阻力被稱為熱阻 θJC,熱量由外殼傳播到周圍環境時遇到的阻力被稱為熱阻 θCA,熱量從內核傳播到周圍環境時遇到的阻力被稱為熱阻 θJA,并且有 θJA = θJC + θCA。

θJC 是由封裝形式決定的,一旦選定就無法改變。θCA 是由芯片與 PCB 的接觸方式、散熱銅箔的大小、PCB 厚度、通孔設計、周圍元件的布局以及空氣流動狀況等復雜因素共同決定的,用戶的設計可以對它發生很大的影響。

規格書中提供的封裝最大耗散功率由這些因素共同決定:芯片內核容許的最高溫度(結溫,Junction Temperature),25℃ 的環境溫度,芯片被焊接在符合 JEDEC 51-7 標準的 4 層測試板上,周圍空氣處于靜止狀態,這后面的兩點就決定了熱阻 θCA 的大小,相應地 θJA 也就被確定了,它們之間的關系如下式所示:

PD(MAX) = (TJ(MAX) - TA ) / θJA

在這個公式中,TJ(MAX) 由芯片本身確定,θJA 由應用設計確定,唯有 TA 是由環境確定的,所以環境溫度的變化決定了 PD(MAX) 的大小,這將傳遞到上述的 PD 計算公式中,使得 VIN 的最大值受到限制(其它參數由 IC 以及應用確定)。

在應用設計過程中,要想獲得最大的 PD(MAX) ,最好的做法就是降低熱阻 θJA,RT2560Q 的規格書在這方面做了一點指引,它給出了不同散熱銅箔面積所帶來的 θJA 的數據以供參考。

關于車用36V低耗電LDO與熱處理問題的分析和介紹

關于車用36V低耗電LDO與熱處理問題的分析和介紹

很顯然,散熱銅箔越大,熱阻 θJA 就越低,而前文所述這種帶有外露式散熱焊盤的 SOP-8 封裝 2.041W 的功率耗散能力是在 θJA 為 75℃/W 的熱阻下計算得到的,我們由此可以推知 JEDEC 51-7 標準中的測試板的設計使用的散熱銅箔就和 (a) 情形相同,這實在是一個非常受限的設計,其它做法都會比它好很多,但我們也能理解這就是一個標準所能做的事情,我們不該對它要求太多,反而要去善用它,利用它的規則看到不同封裝的特性,幫助我們在設計中做出正確的選擇。

在較高的溫度下使用穩壓器時,必須考慮到環境溫度 TA 對功率耗散能力的影響,對設計進行降額處理是必須的,以 RT2560Q 為例,請參考規格書中的下圖進行思考,它的依據就來源于上述的這些信息。

關于車用36V低耗電LDO與熱處理問題的分析和介紹

在我過去的技術支持實踐中看到人們在選用 LDO 時最容易忽略的問題就是熱問題,希望這里提供的信息能夠幫助讀者建立起一些思考的基礎,降低選型以及設計中的錯誤出現幾率。

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