LDO使用之熱阻考慮

    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晶片功耗過大、過熱而進入熱保護狀態，導致電源斷電。

    最近在一個系統的電源晶片的選型中（系統輸入為3.3V，需要得到1.8V的電壓，該1.8V所需最大電流250mA左右），為了減小紋波對系統效能的影響，考慮用LDO來進行電壓轉換，最初選擇了Sipex一個LDO（SP6205EM5-ADJ，SOT-23-5）。

    該晶片的主要參數為：2.7V~5.5V的電壓輸入範圍；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，該電源晶片可滿足系統需求，250mA的所需電流用500mA也是餘量足夠了。但與同事討論，其說該晶片根本達不到500mA的輸出電流，因為其熱阻較高。於是，我開始詳細的閱讀該晶片Datasheet，發現其確實存在該問題。

 

以下討論都是以該晶片的SOT-23-5封裝為例說明。

Thermal Resistance： SOT-23-5（QJA）：191 ℃/W

                                           DFN-8（QJA）：59 ℃/W

最大功率消耗為：PD(max) = （TJ(max)-TA）/ θJA，其中，TJ為節點溫度，TA為環境溫度，θJA為熱阻。

當晶片超過了最大允許功耗時，節點溫度會過高，從而晶片進入熱保護模式。

 

SP6205-ADJ（SOT-23-5封裝）的最大功耗為：

PD(max) = ( 125℃ – 25℃ ) / (191 ℃/W) = 523 mW

實際工作過程中，晶片功耗為：

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），若要求不是特別精確，基本可忽略Vin*IGND該項的影響。

 

    因此，晶片實際工作時的功耗必須限制在最大允許功耗範圍內，超過PD(max)則晶片進入熱保護模式。

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，得出最大輸出電流

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，得出輸入輸出允許最大壓差

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電源晶片選型的過程中，應該根據實際情況的需求，認真考慮其熱阻參數。

    回到本文開頭說提到的系統需求，計算得到的實際最大輸出電流為：I(load(max)) = 347mA。與晶片500mA的輸出電流相比，電流餘量大大降低了。而且，該電流最大值是在環境溫度25℃理想情況下計算得到的，隨著工作時間的推移，晶片的溫度會逐漸升高，該輸出電流的最大值還會進一步降低。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。

    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晶片或封裝，尤其是同一型號晶片的不同封裝，其熱阻會相差較大，比如以上電源晶片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。