在通常的LDO設計中,熱阻參數的考慮常常被忽略。但是,該參數對電源系統的影響卻是很大的,因為LDO的該參數若是選擇不當,就容易造成LDO芯片功耗過大、過熱而進入熱保護狀態,導致電源斷電。
***近在一個系統的電源芯片的選型中(系統輸入為3.3V,需要得到1.8V的電壓,該1.8V所需**電流250mA左右),為了減小紋波對系統性能的影響,考慮用LDO來進行電壓轉換,***初選擇了Sipex一個LDO(SP6205EM5-ADJ,SOT-23-5)。
該芯片的主要參數為:2.7V~5.5V的電壓輸入范圍;500mA電流輸出;輸出電壓可調;具有限流和熱保護功能;等。
咋一看,該電源芯片可滿足系統需求,250mA的所需電流用500mA也是余量足夠了。但與同事討論,其說該芯片根本達不到500mA的輸出電流,因為其熱阻較高。于是,我開始詳細的閱讀該芯片Datasheet,發現其確實存在該問題。
計算得到的實際**輸出電流為:I(load(max)) =523mW/(3.3-1.8)V= 347mA,與芯片500mA的輸出電流相比,顯然不滿足要求!而且,該電流**值是在環境溫度25℃理想情況下計算得到的,隨著工作時間的推移,芯片的溫度會逐漸升高,該輸出電流的**值還會進一步降低。其500mA的輸出電流只有在輸入輸出壓差1V以內、室溫25℃的情況下才可以得到。
以下討論都是以該芯片的SOT-23-5封裝為例說明。
Thermal Resistance: SOT-23-5(QJA):191 ℃/W
DFN-8(QJA):59 ℃/W
**功率消耗為:PD(max) = (TJ(max)-TA)/ θJA,其中,TJ為節點溫度,TA為環境溫度,θJA為熱阻。
當芯片超過了**允許功耗時,節點溫度會過高,從而芯片進入熱保護模式。
由熱阻求某個封裝功耗--523mW:
SP6205-ADJ(SOT-23-5封裝)的**功耗為:
PD(max) = ( 125℃ – 25℃ ) / (191 ℃/W) = 523 mW
實際工作過程中,芯片功耗為:
PD = ( Vin – Vout)*Iout + Vin * IGND (1)
通常,IGND為uA級(比如:SP6205在500mA輸出時的IGND=0.35mA),若要求不是特別**,基本可忽略Vin*IGND該項的影響。
因此,芯片實際工作時的功耗必須限制在**允許功耗范圍內,超過PD(max)則芯片進入熱保護模式。
根據式(1),我們就可以算出以下參數:
(a)在已知輸入輸出壓差的條件下,得出**輸出電流
例如:輸入電壓5V,輸出電壓3V,則:
523mW = (5V – 3V)*I(load(max)) + 5V * 0.35mA,
則 I(load(max)) = 260.6mA。
(b)在已知負載電流的條件下,得出輸入輸出允許**壓差
例如:輸出電壓為3V,負載電流為400mA,則:
523mW = (Vin – 3V)* 400mA + Vin * 0.35mA,
則 Vin(max) = 4.3V,△Vmax=1.3V。
所以,在LDO電源芯片選型的過程中,應該根據實際情況的需求,認真考慮其熱阻參數。
從以上分析可見,LDO的熱阻參數對其它參數(如輸出電流、輸入輸出壓差等)是有較大影響的,必須予以考慮。選型時應盡量選擇熱阻小的芯片或封裝,尤其是同一型號芯片的不同封裝,其熱阻會相差較大,比如以上電源芯片SP6205的DFN-8封裝,其熱阻就只有59℃/W,較之SOT-23-5封裝的191℃/W小了不少。