您的線性穩(wěn)壓器在所有可能的工作條件下都能正常工作嗎？要找到答案，您需要了解功耗和熱阻。

乍一看，線性穩(wěn)壓器看起來如此簡單。器件的數(shù)據(jù)表顯示了最大輸入電壓，最大輸出電流和輸出電壓（如果輸出是固定的而不是可變的）。如果您的設計要求要求更高，您還可以檢查輸出電壓的精度，壓差電壓，輸出噪聲和工作環(huán)境溫度范圍。如果所有這些規(guī)格看起來都很好，你可以放入零件，一切都會好的，對嗎？好吧，大部分時間，是的，一切都會好的，但設計也可能徹底失敗。

電流與功率

首先要了解的是器件的最大輸出電流不是隔離的規(guī)格。輸出電流會影響功耗，功耗會影響結溫，如果結溫過高，器件將無法正常工作。永久性損壞是可能的，盡管大多數(shù)（可能全部）現(xiàn)代線性穩(wěn)壓器都包含熱保護電路，該電路將簡單地限制輸出電流以試圖降低內(nèi)部溫度。無論哪種情況，您的設計都會出現(xiàn)故障;更糟糕的是，它可能以奇怪或間歇的方式發(fā)生故障，導致潛在的高故障排除導致的挫敗感。像往常一樣，最好的補救措施是預防。

兩個溫度

當確認特定組件與系統(tǒng)的溫度要求兼容時，我們通常查看器件數(shù)據(jù)表中列出的工作環(huán)境溫度范圍。這對于大多數(shù)情況來說已經(jīng)足夠了，但它仍然是不精確的。嚴格來說，環(huán)境溫度并不能確定部件是否能正常工作，就像室外空氣溫度不能直接決定您是否在家中舒適一樣。真正重要的是內(nèi)部溫度，即半導體所經(jīng)歷的溫度 - 畢竟，它是使電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)電壓的晶體管，而不是塑料封裝。這個內(nèi)部溫度被稱為結溫。

我們通常只能看到環(huán)境溫度范圍，因為結溫常常與環(huán)境溫度相似。如果你住在一個通風良好的木制小屋里，在戶外用明火做飯，那么室內(nèi)棚屋的溫度與室外溫度的差別不大。這只是工作中的熱平衡。許多電子元件都會發(fā)生同樣的事情，因為許多電子元件不能消耗大量電能。這是關鍵點。傳感器，數(shù)據(jù)轉換器，微控制器，邏輯門等傾向于耗散適量的功率，因此結溫與環(huán)境溫度沒有很大差異。但線性穩(wěn)壓器則是另一回事。想象一下，如果你整天都在那個木屋里烤面包。這或多或少是電壓調(diào)節(jié)器的作用，結果是結溫可能會顯著超過環(huán)境溫度。因此，強大的線性穩(wěn)壓器設計的一個關鍵是確保即使在最壞的工作條件下結溫也保持在可接受的范圍內(nèi)。

首先，計算功率

決定環(huán)境溫度和結溫之間差異的兩個因素是功耗和熱阻。首先讓我們來看看功耗。

此圖顯示了兩個當前路徑線性穩(wěn)壓器;從輸入引腳直接到地的路徑稱為接地電流（I GND ），通過供電電路從輸入引腳到地的路徑是負載電流（I LOAD ）。這兩個電流產(chǎn)生的內(nèi)部功耗為

\ [P_ {I_ {GND}} \ \ = I_ {GND} \倍V_ {IN} \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ P_ {I_ {LOAD}} \ \ \ = I_ {LOAD} \ times \ left（V_ {IN} -V_ {OUT} \ right）\]

因此，調(diào)節(jié)器內(nèi)部的總功耗如下：

\ [P_ {TOTAL} = \ left（I_ {GND} \ times V_ {IN} \ right）+ \ left（I_ {LOAD} \ times \ left（V_ {IN} -V_ {OUT} \ right）\ right）\]

接地電流-ie，調(diào)節(jié)器內(nèi)部電路在產(chǎn)生穩(wěn)壓輸出電壓的過程中消耗的電流通常遠小于負載電流。因此，如果你不想檢查接地電流規(guī)格，你可以忽略這個術語，結果應該非常接近。

熱阻

調(diào)節(jié)器內(nèi)部消耗的功率導致結溫與環(huán)境溫度之間的持續(xù)差異。所以我們知道調(diào)節(jié)器的內(nèi)部電路總是比周圍環(huán)境更熱;問題是，多熱了多少？這就是熱阻發(fā)揮作用的地方。顧名思義，這個數(shù)量對應于阻止熱量流動的程度。在調(diào)節(jié)器設計的背景下，更高的熱阻意味著對從室內(nèi)到周圍環(huán)境內(nèi)流動的熱量有更大的阻力。較高的電阻意味著較少的熱流，較少的熱流意味著較大的穩(wěn)態(tài)溫差。這種關系反映在下面的等式中，其中熱阻用θ表示，單位為°C/瓦特。

\ [\ Delta T_ {JA} = P_ {TOTAL} \ times \ theta_ { JA} \]

因此，如果您知道穩(wěn)壓器的功耗（P TOTAL ）以及內(nèi)部電路對周圍環(huán)境的熱阻（ θ JA ），您可以計算環(huán)境溫度和結溫之間的差值（ΔT JA ）。不幸的是，確定θ JA 并不是很簡單。

首先要理解的是θ JA 不是固定數(shù)量。這取決于您的PCB設計。實際上，這是一個關鍵點：您不能假設穩(wěn)壓器數(shù)據(jù)表中給出的環(huán)境溫度范圍對所有PCB布局都有效。換句話說，如果調(diào)節(jié)器受到最大輸入電壓和最大輸出電流的影響，即使環(huán)境溫度保持在可接受的范圍內(nèi)，高熱阻PCB布局也可能導致器件過熱。

小心的熱設計可能至關重要！

讓我們通過一個例子來說明在調(diào)節(jié)器設計中考慮熱阻的重要性。該示例基于ADI公司的ADP3338低壓差穩(wěn)壓器。相關規(guī)范如下：

首先我們需要回答以下問題：如果設備是遭受最壞的打擊 - 工作條件，熱阻必須有多低？我們可以按如下方式重新排列上述等式：

\ [\ theta_ {JA} = \ frac {\ Delta T_ {JA}} {P_ {TOTAL}} \]

插入適當?shù)闹?，我們得到以下?nèi)容：

\ [\ theta_ {JA} = \ frac {\ left（150 ^ {\ circ} C-85 ^ {\ circ} C \ right）} {\ left（.03 \ A \ times8 \ V \ right）+ \ left（1 \ A \ times \ left（8 \ V-3.3 \ V \ right）\ right）} = \ frac {65 ^ {\ circ} C} {4.94 \ W } = 13.2 \ \ frac {^ {\ circ} C} {W} \]

到目前為止一切順利。 。 。除了這么低的熱阻是不可能的！請考慮ADP3338數(shù)據(jù)表中的下圖：

該圖旨在讓您了解不同PCB布局的熱阻。因此，如果您只是將此調(diào)節(jié)器焊接到電路板而不提供任何額外的銅來幫助散熱，則熱阻將大約十倍。即使是最右邊的布局，其中包含一個寬大的銅墊，仍然遠高于最壞情況下操作所需的13.2°C/W.您可以通過擴展銅區(qū)域并使用多個過孔來為其他PCB層提供熱路徑來進一步降低熱阻，但在這種情況下，您將永遠不會達到13.2°C/W.這是因為結到環(huán)境的熱阻是外殼到環(huán)境的熱阻（取決于布局）和結到外殼的熱阻（僅取決于IC封裝）和ADP3338的總和。結殼熱阻為26.8°C/W，已經(jīng)是這些最差工作條件所需的總熱阻的兩倍。當然，這是一個極端的例子。在實踐中，你不會像這樣將零件推到極限。通常，所需的熱阻是可以實現(xiàn)的，但是您可能需要遠遠超過最小量的銅。

結論

線性穩(wěn)壓器的正確熱設計容易被忽視，因為在許多情況下，操作條件與最壞情況相差甚遠，即使熱阻從未進入您的腦海，設計仍然有效。但這個過程實際上相當簡單，它可以使你的電路板免于在高環(huán)境溫度下失敗的恥辱。您只需計算最壞情況下的功耗，然后根據(jù)數(shù)據(jù)表（或類似部件的數(shù)據(jù)表）中的信息估算熱阻。然后，您可以計算器件結溫低于指定最大值的最高環(huán)境溫度。