使用之热阻考虑

1、LDO使用之热阻考虑    在通常的LDO设计中，热阻参数的考虑常常被忽略。但是，该参数对电源系统的影响却是很大的，因为LDO的该参数若是选择不当，就容易造成LDO芯片功耗过大、过热而进入热保护状态，导致电源断电。    最近在一个系统的电源芯片的选型中（系统输入为3.3V，需要得到1.8V的电压，该1.8V所需最大电流250mA左右），为了减小纹波对系统性能的影响，考虑用LDO来进行电压转换，最初选择了Sipex一个LDO（SP6205EM5-ADJ，SOT-23-5）。    该芯片的主要参数为：2.

2、7V5.5V的电压输入范围；500mA电流输出；输出电压可调；具有限流和热保护功能；等。    咋一看，该电源芯片可满足系统需求，250mA的所需电流用500mA也是余量足够了。但与同事讨论，其说该芯片根本达不到500mA的输出电流，因为其热阻较高。于是，我开始详细的阅读该芯片Datasheet，发现其确实存在该问题。 以下讨论都是以该芯片的SOT-23-5封装为例说明。Thermal Resistance： SOT-23-5（QJA）：191 /W       &

3、#160;                                   DFN-8（QJA）：59 /W最大功率消耗为：PD(max) = （TJ(max)-TA）/ JA，其中，TJ为节点温度，TA为环境温度，JA为热阻。当芯片超过了最大允许功耗时，节点温度会

4、过高，从而芯片进入热保护模式。 SP6205-ADJ（SOT-23-5封装）的最大功耗为：PD(max) = ( 125 25 ) / (191 /W) = 523 mW实际工作过程中，芯片功耗为：PD = ( Vin Vout)*Iout + Vin * IGND         （1）    通常，IGND为uA级（比如：SP6205在500mA输出时的IGND=0.35mA），若要求不是特别精确，基本可忽略Vin*IGND该项的影响。  &

5、#160;  因此，芯片实际工作时的功耗必须限制在最大允许功耗范围内，超过PD(max)则芯片进入热保护模式。根据式（1），我们就可以算出以下参数：（a）在已知输入输出压差的条件下，得出最大输出电流例如：输入电压5V，输出电压3V，则：523mW = (5V 3V)*I(load(max) + 5V * 0.35mA，则 I(load(max) = 260.6mA。 （b）在已知负载电流的条件下，得出输入输出允许最大压差例如：输出电压为3V，负载电流为400mA，则：523mW = （Vin 3V）* 400mA + Vin * 0.35mA，则 Vin(max) = 4.

6、3V，Vmax=1.3V。     所以，在LDO电源芯片选型的过程中，应该根据实际情况的需求，认真考虑其热阻参数。    回到本文开头说提到的系统需求，计算得到的实际最大输出电流为：I(load(max) = 347mA。与芯片500mA的输出电流相比，电流余量大大降低了。而且，该电流最大值是在环境温度25理想情况下计算得到的，随着工作时间的推移，芯片的温度会逐渐升高，该输出电流的最大值还会进一步降低。其500mA的输出电流只有在输入输出压差1V以内、室温25的情况下才可以得到。    从以上

7、分析可见，LDO的热阻参数对其它参数（如输出电流、输入输出压差等）是有较大影响的，必须予以考虑。选型时应尽量选择热阻小的芯片或封装，尤其是同一型号芯片的不同封装，其热阻会相差较大，比如以上电源芯片SP6205的DFN-8封装，其热阻就只有59/W，较之SOT-23-5封装的191/W小了不少。封闭外壳越大，热阻越小，直观地理解，因为较大的外壳有更大的表面面积，因而对热量的传导更有效。注意，针对较大的封装，我们指明了管芯的尺寸。这里列出的数据是各类封装所适用的最大管芯尺寸。在相同外壳的情况下，管芯越小热阻越大，因为它们和外壳的接触面面积越来越小。为逻辑器件确定封装形式的工程师们感兴趣的是管芯本身

8、的热阻、管芯和外壳之间的结合方式、嵌入封装的导热或散热材料、外壳材料（陶瓷比塑料的导热性更好）和封装的物理构造（平而薄的封装优于厚而方的封装）。不断攀升的复杂性和不断缩小的体积要求导致了过热问题，这已成为电子行业的重大挑战之一。在可靠性预测过程中，温度是大多数结构失效中的关键加速器。LED、半导体和封装系统或子系统设计的工程师大多采用复杂的热分析软件来分析各自的产品，然而得到的分析结果精确与否却依赖于所提供参数的正确性。上、 下游之间数据是否透明、可靠以及方便索取非常关键。这些数据的透明和传输不仅棘手，过程繁复，而且需要人工干预，因而也容易出错。现在，明导 (Mentor Graphics)公

9、司推出的T3Ster热特性瞬态测试仪和FloTHERM热仿真软件之间实现了这一接口，能够保证工程师通过真实的热测试和热封装特 性测试获取精确的仿真分析模型。T3Ster热瞬态测试仪是一款符合JEDEC JESD51-14测试标准的产品，它能够很好地实现功率半导体器件的结壳热阻测试(图1)。T3Ster技术能够保证被测产品的高精度和高数据可重复性测试。T3Ster产品提供了非破坏性的热测试方法。它通过改变电子器件的输入功率，使得器件产生温度变化。在变化过程中，T3Ster通过测试设备的 TSP(温度传感器参数，或称为热相关参数)得到电子器件的瞬态温度响应曲线。对温度变化曲线进行数值处理后，抽取出

10、其结构函数。然后再从结构函数中自动 分析出热阻和热容等热属性参数。这一全面的热特性分析过程仅在几分钟即可完成。T3ster测试技术并不是基于“脉冲方法”的热测试设备。“脉冲方法”由 于是基于延时测量的技术，所以其测出的温度瞬态测试曲线精度不高。而T3ster采用的是“运行中”的实时测量方法，结合其精密的硬件可以快速精确扑捉到 高信噪比的温度瞬态曲线。 利用配备的USB接口卡，测试仪器可以和任何一台电脑(包括笔记本电脑)互联，测试的数据可以实时分析也可以在测试后进行分析。T3ster配备的分析软件可以通过对话框控制T3ster仪器的参数，如电压、电流、加热等。在测试时，分析软件可以进行

11、实时瞬态数据采集，采集的数据也可以实时以图像的形式进行显示。除进行数据采集外，其后处理软件T3Sster-Master 还提供了数据的分析功能。只需几秒钟，软件就可以将采集的数据以函数的形式表现出来。利用软件内置的材料库，通过测试出的瞬态数据，软件便可以分析出测试 出被测物体的几何参数，如热流路径上的截面积等等。T3ster可适用于许多电子器件和材料的测试，包括：分离或集成的三极管、LED封装、晶闸管、大功率IGBT和MOSFET等器件；任何复杂的IC器 件；具有单独加热器和温度传感器的热测试芯片；复合材料(如PCB的导热系数)等各种材料；以及各类材料之间的表面接触热阻测量。FloTHERM软

12、件是一款用于电子元器件及系统热设计的强大的3D仿真软件，它使用高级CFD(计算流体力学)技术模拟电子系统的气流、温度和传热(图2)。通过使用精确的热仿真，工程师便能在产品的实物样品制造之前自动评估和测试设计方案。结合使用T3Ster和FloTHERM能够优化设备、子系统和整个系统的热管理。借助这一组合技术，能够很好地优化LED和IC封装设计，达到有效的散 热效果。在设备样机制作好后，通过热测试分析便可获得子系统和系统的特性，并为FloTHERM热仿真分析软件创建精确的子系统和系统的模型。此后，系统 集成商还可以通过T3Ster硬件来进一步验证热管理方案。封装特性测试能够预见封装结构的热阻和热容。仿真分析软件能为工程师提供所测试结构具体部位的信息。建模过程中热界面材料较难处理，因为不能高度