应用笔记|成功实现LDO稳压器热设计的6大步骤

罗姆半导体集团 2025-01-08 12:04

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通常我们使用LDO稳压器IC（以下简称LDO），可以简单地实现DC-DC转换。作为电压调节工具，LDO在输入输出电压差小的时候效率非常好，但是在电压差大的时候，由于其工作特性，会导致较高的功率损耗并发热严重。

因此，适当的热设计对于确保产品长期可靠性工作至关重要。如果忽视热设计，可能会因过热而导致性能下降，最坏的情况下会使设备故障。一旦出现问题，就要重新选择元器件、修改电路板、重新设计散热等，对日程和成本产生巨大影响。

罗姆提供了一些关于热设计的应用说明，以提高产品的可靠性并减少设计阶段的返工。此白皮书只介绍其中的一部分。

应用手册的说明

图1展示了在开发过程中，罗姆为用户提供的工具和支持。

图1. 罗姆提供的设计支持工具

此应用手册是用户在开发过程中各阶段所需技术信息的汇总文档，提供了从基础到实践的全方位支持。本文将通过6大步骤，介绍如何完善LDO热设计。

步骤1：了解LDO工作原理

步骤2：估算结温

步骤3：考虑降低温度的各种措施

步骤4：利用热仿真

步骤5：进行最佳的电路板设计

步骤6：准确地进行热测量

步骤1：了解LDO工作原理

由于热设计会涉及到LDO的功率损耗，因此有必要了解LDO的工作原理。首先请根据《线性稳压器的基础》（图2）来确认线性稳压器的效率。根据该应用手册的公式3，效率可由 𝜂 = 𝑉_𝑂𝑈𝑇/𝑉_𝐼𝑁×100[%] 计算得出，输入输出间的电压差越大，效率越低。换句话说，输入输出间的电压差越大，功率损耗和发热就越大。记住这一点进行下一步。

图2. 线性稳压器的基础

步骤2：估算结温

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制作电路板前，由于实际温度无法测量，所以要通过理论来估算温度。结温是根据LDO的功率损耗、封装热阻、PCB热阻和环境温度等参数估算出来的、这一步骤请参考《‍‍‍线性稳压器的热计算‍‍‍》（图3）。

图3. 线性稳压器的热计算

在进行估算时，必须要知道每个参数。结温的绝对最大额定值因设备不同而不同，但规格书中一定会记载相关信息。例如，典型LDO的最高结温为150°C（图4）。

图4. 规格书上列出的结温的绝对最大额定值‍‍‍BD9xxN5-C系列‍‍‍为例

封装的热阻也是规格书中必须列出的信息之一（图5）。

图5. 规格书上列出的封装的热阻BD9xxN5-C系列为例

当负载电流随时间变化时，需要使用瞬态热阻抗来求得结温。在《使用瞬态热阻抗计算结温的方法》中，如（图6），总结了根据瞬态热阻抗计算结温的方法。

图6. 使用瞬态热阻抗计算结温的方法

在LDO的输出有大容量电容器的情况下、启动时会给输出电容充电，产生一个大的冲击电流。结温不能因这个过电流而超过额定值。确认方法总结在《根据冲击电流计算结温》（图7）。

图7. 根据冲击电流计算结温

传统TO220封装的3端子稳压器，使用散热片的热设计文档，请参考《3端子稳压器的热设计》。

图8. 3端子稳压器的热设计

步骤3：考虑降低温度的各种措施

到目前为止的估算中，当结温超过最大额定值时，需要考虑各种各样的条件，一般详情总结如下。

IC封装

・选择热阻较低的封装，例如更大的封装尺寸、焊盘外露或带有散热FIN的封装。

PCB

・增加PCB的铜箔厚度。

・扩大PCB的铜箔面积。

・增加PCB层数。

・优化散热孔的配置。

外围器件与应用方式

・通过串联二极管或电阻器分散发热源。

・对LDO进行级联连接，分散发热源。

・把电源系统分成多个，分散发热源。

・降低输入电压减小LDO的压差以提高效率。

・提高输出电压减小LDO的压差以提高效率。

・考虑使用开关稳压器。

步骤4：利用热仿真

在热设计中，和电气设计一样，仿真也是一种有效的手段。尤其是联合仿真，即同时对电气和热学两方面进行仿真，有助于分析电子元件和电路的热学行为，优化设计并提高可靠性。

ROHM Solution Simulator可进行在线实时仿真并即时查看结果。图9是线性稳压器IC仿真示例，在输入电压，PCB类型和环境温度等不同条件下对结温进行估算。另外，每个仿真电路都配有User’s Guide。

图9. 线性稳压器IC仿真示例和 User's Guide

此外，在热设计中的仿真当中，使用三维热流体的仿真。在多个热源相邻，或使用强制风冷、水冷的情况下，虽然可以进行复杂的计算，但为了追求精度，需要包含内部结构、热物理性质等信息的详细模型。由于缺乏详细模型的统一标准，仿真工具之间无法兼容，不同公司的模型质量也参差不齐。虽然精度比详细模型低，但罗姆在Web上公开了双热阻模型。双热阻模型在仿真工具之间具有兼容性，所需分析时间也较少，所以适用于在设计初期大致决定电路板尺寸和元器件位置，以及不同封装之间的相对差异。在《热仿真用双热阻模型》（图10）中是关于双热阻模型的说明、在《双热阻模型的使用方法》（图11）中说明了如何下载双热阻模型以及如何使用热仿真。根据不同的用途，可以有效的使用不同的仿真方法。但是，最终还是需要实测来进行判断。

图10. 热仿真用双热阻模型

图11. 双热阻模型的使用方法

步骤5：进行最佳的电路板设计

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近几年的技术趋势是产品小型化和重视设计为导向，要求在有限的体积内放置多个元器件。在电路板设计中，考虑电气特性、EMC（电磁兼容性）和散热特性是非常重要的，这些特性的良好平衡可以实现高可靠性的电路板设计。因为产品不同，优先度也不同，所以没有绝对的答案、在《PCB Layout 热设计指导》（图12）中描述了在PCB（印刷电路板）设计时降低热阻抗的关键点，以及当多个热源相邻时的影响。

图12. PCB Layout 热设计指导

另外，根据不同的产品，还准备了其他封装的热阻数据，如《TO252封装热阻抗信息》（图13）所示，请灵活使用。在步骤2中提到的瞬态热电阻的数据也包含在其中。

图13. TO252封装热阻抗信息

贴片功率IC的封装背面有散热焊盘，可以提高散热效率。散热焊盘通过回流焊连接到PCB板的铜箔表面，但如果此处使用的焊盘网板尺寸设计不当，就会出现安装问题。《元器件引脚焊盘网板的设计方针与示例》（图14）提供了网板的设计指南。

图14. 元器件引脚焊盘网板的设计方针与示例

样机完成后，必须对其进行检查，以确保其按设计完成。这里重要的是温度测量。用ΨJT估算结温时使用热电偶。《使用热电偶测量温度时的注意事项》（图15）重点介绍了在使用热电偶测量温度时容易出现问题的关键点，并提供了实际测量结果。另一种方法是利用芯片中二极管的正向电压来估算结温。《使用pn结的正向电压测量温度的注意事项》（图16）介绍如何正确选择二极管和测量方法。