10 月 20 日上午,立锜科技和大聯大詮鼎集團合作在網上進行了一場研討會,會議主題是關于快充技術和相關應用的,我們的公眾號也對此進行了提前預告,不知道你參與了沒有?
這次研討會的主講者是我給大家介紹過的 Roland,他是立锜科技駐歐洲地區的 FAE 主管,是一位經驗豐富又有分享熱情的技術高手,中文說得特別好,每次出場都是干貨滿滿,常常能給觀眾或是讀者留下很深的印象,我在翻譯他的文章過程中也是收獲良多,這個過程甚至讓我養成了一個習慣,遇到感興趣的英文內容常常就直接做翻譯,確保自己能夠準確理解作者的意思,因為深入的思考常常帶來一些意外的收獲,不是吃快餐的方式能夠直接替代的,而翻譯過程就有這樣的效果。這次會議的參加者有很多,甚至在大聯大主辦過的會議中是創了紀錄的,可惜我錯過了第一時間觀看的機會,只能另外抽時間補看了,因為會議內容是可以在網上回看的。
我在這場會議的答問記錄中發現觀眾提問多達 325 條,現場得到回復的有 218 個,沒來得及回答的剩余部分則會在會后再予以回復,所以我覺得協助會議進行的同事們也很辛苦,沒有他們還真的是不行。我雖還沒有觀看演講內容,但這些答問信息也給了我耳目一新之感,過去所知的規范內容已經有了許多更新,立锜的產品開發也到了全新階段,滿足新需求的產品已經或正在陸續到來,不追蹤可能還真是不行,因為外面已經變天了,我不能拿著老皇歷看新時代。
雖然世界的表現形式一直在變化,基本的物理規律卻是不會隨著人的意志而發生變化的,這是我們技術工作者的幸運之處,因為只要你抓住了根本,外觀的表現變化再大也是能被你所理解并掌握的。前段時間寫了一篇反映高壓線性穩壓器局限性的文章,里面提到在將 60V 的高壓加到 RT9072 的輸入端以得到 3.3V 輸出時,如果負載電流為持續的 20mA,RT9072 就會熱到受不了,必須先用 Buck 轉換器將高壓轉換為低壓再后接線性穩壓器,發熱問題才能得到解決。
然后我又另外舉了一個例子,假如同樣環境下的 RT9072 的負載是脈沖負載,僅僅會在每一秒鐘的很短時間里會有 20mA 的負載,這時候的 RT9072 就能承擔了。因為這樣的表達方式,有讀者留言問這是否意味著 RT9072 的 20mA 只能偶爾出現、不能持續出現,我的回答是這樣的理解是不完整的,現在就再把這個問題拿來聊一下。
我們先來看公式:
這是用來計算上面所說滿載條件下的 RT9072 所承載的功耗的計算公式,計算結果的單位為 W。因為 1.134W 的功耗超過了 RT9072 的封裝所能夠承載的最大功耗 0.45W,所以 RT9072 是不能在這一條件下工作的。現在我們就以 0.45W 的最大功耗作為限制指標,在輸出電壓、負載電流不變的情況下,看看輸入電壓的可用范圍是什么。根據這一訴求,我們可以列出如下不等式:
經過簡單的變換就可以得到如下結果:
這個意思就是說,在輸出電壓等于 3.3V、負載電流等于 20mA 的情況下,只要輸入電壓低于 25.8V,RT9702 就能承受這個工作條件,它就能在這樣的條件下工作。同樣的,假如保持負載電流不變,同時選定一個高于 25.8V 的輸入電壓,你也可以得到一個 RT9702 可以承受的穩定輸出電壓,但這個數據就不會是 3.3V 了,它必須是高于 3.3V 的另外一個數據,這個結論也是根據上述的計算公式變換得來的。如果我們再進一步在上面的數據上下功夫,還可以發現我們可以對 0.45W 的最大功耗做點動作,因為它也是一個可變的東西。實際上, 0.45W 是 RT9072 所采用的 SOT-23-5 封裝的最大耗散功率,其定義在規格書里有給出來:
這個公式的右邊有三個物理量,TJ(MAX) 是容許的最高結溫,TA 是環境溫度,θJA 是從 RT9072 的內核到周圍環境之間的熱阻。RT9072 最主要的發熱部位是其調整管的溝道,其溫度用 TJ 表示。TJ(MAX) 是 IC 在工作過程中容許出現的最高溫度,其值為 125℃,IC 在這個溫度下的性能指標是能得到保證的,超過以后就不好說了。為了確保 IC 不會被高溫損壞,它的內部會有一個測溫電路,當其發現 TJ 超過 150℃ 時會發起過熱保護,實際上就是將其輸出完全關掉,退出了正常輸出的狀態,此后已經形成的熱量還會繼續通過所有的渠道向周圍環境釋放,等到 TJ 回落 20℃ 以后又會重新嘗試著啟動輸出。
熱阻對熱的傳播的意義與電阻對電荷的移動的阻礙作用類似,如果熱阻越小,熱量的傳導就越容易,相同功率的發熱量所帶來的溫升就越小。采用 SOT-23-5 封裝的 RT9072 在被焊接到符合 JEDEC 51-7 標準所定義的四層 PCB 板上時,IC 內核到周圍環境之間的熱阻是 218.1℃/W,而這里所謂的周圍環境是指 25℃ 的穩定空氣,如果你能將所用 PCB 的散熱能力做得比 JEDEC 51-7 標準所規定的更好,最簡單的做法就是加大焊盤面積、增加熱傳導孔等等,你甚至還可以給它裝上散熱片,使用散熱風機等等,這樣就可以把熱阻減小,RT9072 的功率耗散能力就會進一步增加,反之則就會下降。
上圖是 RT9072 規格書里給出來的降額使用曲線,即當環境溫度高于 25℃ 時,處于標準環境之下的最大功率耗散能力就會相應降低,設計師在設計時就必須考慮到這一點,避免出現應用中的過熱現象。相反的,如果你能將環境溫度降下去,RT9072 的功率耗散能力就能提高,過熱現象也就不容易出現了。討論過了負載連續情況下的發熱問題,讓我們再來審視一下非連續負載的情況。我們說過的 RT9072 負載不連續的工作參數是這樣的:輸入電壓為 60V,輸出電壓為 3.3V,負載電流以 1s 為周期進行變化,其中只有 10ms 的負載是 20mA,另外的 990ms 都是 0.1mA,則落在 RT9072 上的平均功耗為
即 0.0169533W,這個數據遠小于 0.45W,所以 RT9072 就可以在這樣的脈動負載下工作。現在我們嘗試著將負載電流的變化周期進行一下修改,例如將 1s 改變成 100s 或 1000s 甚至更多,但是脈沖負載出現的時間占比依然不變,則平均功耗的計算公式之計算結果就不會發生任何變化,請問 RT9072 的工作狀態又會不會有任何變化呢?這個問題就不再這里繼續聊了,僅供有興趣者思之。
責任編輯:haq
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原文標題:再談高壓線性穩壓器的功耗與發熱問題
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