LDO使用中特別需要關注熱耗的影響

一、LDO簡介

LDO，其實LDO是線性電源的一種，即Low drop out低壓降的線性電源，這個dropout是線性電源的一個重要特性，行業內最低好像能實現50mV的壓降，即輸入3.35V，輸出可以做到輸出3.3V。

LDO主要特征如下，這些特征使得LDO具有很廣泛的應用：

1）輸入電流≈輸出電流。

2）輸出干凈，紋波非常小，高頻噪聲比較低。

3）能夠抑制低頻段噪聲，抑制能力很強。

4）LDO自身消耗的功耗相對較大，其自身功耗≈（輸入電壓—輸出電壓）*輸入電流，PD≈(VIN-VOUT)*IOUT。

5）LDO一般可用于模擬電路的供電，推薦小于0.5W以下的供電需求使用。

二、LDO基本選型要素

1）輸入電壓范圍VIN；

2）輸出電壓范圍VOUT；

3）輸出電流大小IOUT；

4）輸入輸出壓差VDO；

5）靜態電流；

6）其他功能如輸出使能引腳、軟起動引腳、偏置電壓引腳等。

除了以上的選型要素，LDO雖然電路非常簡單，但是在使用過程中還有蠻多的注意事項，下文提到的熱耗就是一個特別重要的LDO設計考慮要素。

三、LDO熱耗定義相關說明

1、與熱耗相關的一些溫度參數

上圖是一個LDO器件焊接在PCB上的一個示意圖，里面展現了與溫度相關的一些參數以及位置說明。

2、與熱耗相關的一些熱阻參數，熱阻代表單位功耗下，兩個不同位置之間的溫度差，表征芯片兩個位置之間熱傳導的能力。

3、與熱耗相關的結溫的不同計算方法，結溫是LDO器件內部溫度，是我們考慮熱耗最終衡量的目標。

四、常用LDO熱耗示意說明（選取項目中常用的兩個器件，也是本文的動機）

1、LTM4615

4615支持2路4A的DC/DC輸出和1路1.5A的LDO輸出，這里舉例應用如下：

DC/DC通道1：輸入5V，輸出2.5V，輸出電流1.2A；

DC/DC通道2：輸入5V，輸出1.8V，輸出電流1A；

LDO通道：輸入3.3V，輸出1.5V，輸出電流0.4A；

1）計算LTM4615的熱耗

對于DC/DC通道來說，其熱耗主要跟DC/DC的轉換效率有關，參照上表可知，DC/DC通道1的熱耗＜0.6W@1.2A，DC/DC通道2的熱耗＜0.5W@1A。

對于LDO通道，根據公式PD≈(VIN-VOUT)*IOUT，則熱耗PD≈（3.3-1.5）*0.4=0.72W。

則總的熱耗≈0.6+0.5+0.72=1.82W。

2）計算LTM4615的溫升

對于LTM4615來說，考慮最惡劣情況（無風、無底部散熱器），RθJA=15（℃/W），則根據公式TJ = TA + RθJA * PD，其中TA為產品環境溫度，一般環境要求高溫為70℃（實際產品內部環境溫度會更高，eg：80℃），TJ = 80 + 15 * 1.82 = 107.3℃，滿足＜120℃的結溫要求（一般最高為125℃結溫）。

綜上：LTM4615使用時，DC/DC-1：輸入5V，輸出2.5V，輸出電流1.2A；

DC/DC-2：輸入5V，輸出1.8V，輸出電流1A；LDO通道：輸入3.3V，輸出1.5V，輸出電流0.4A；滿足使用要求。

但是若LD0通道：選擇輸入3.3V，輸出1.5V，輸出電流1A時，LDO的熱耗PD≈（3.3-1.5）*1=1.8W，總功耗則≈0.6+0.5+1.8=2.9W。TJ = 80 + 15 * 2.9 = 123.5℃，則不滿足＜120℃的結溫要求，此時雖然該LDO的總輸出電流1A＜LDO的額定輸出1.5A，但使用時仍存在隱患。因此在使用LDO時一定要關注LDO的熱耗,盡可能壓降小一點。

2、TPS74401

TPS74401支持1路3A的LDO輸出，這里舉例應用如下：

LDO通道：輸入2.5V，輸出1.2V，輸出電流1A,選用封裝為RGW(QFN)；

1）計算TPS74401的熱耗

對于LDO通道，根據公式PD≈(VIN-VOUT)*IOUT，則熱耗PD≈（2.5-1.2）*1=1.3W。

2）計算TPS74401的溫升

對于TPS74401來說，考慮PCB尺寸為2in2，RθJA=45（℃/W），則根據公式TJ = TA + RθJA * PD，其中TA為產品環境溫度，一般環境要求高溫為70℃（實際產品內部環境溫度會更高，eg：80℃），TJ = 80 + 45 * 1.3= 138.5℃，不滿足該器件結溫要求，存在高溫隱患。

3）驗證TPS74401的溫升

在板子實際做出來后，可以通過測量TT或者TB，來進一步驗證TPS74401的結溫，用紅外測溫儀分別測量74401的封裝頂部中間位置的溫度TT以及距離74401周邊1mm的PCB板的溫度TB，分別進行計算結溫。

TJ = TT + ΨJT * PD = ？+ 0.5* 1.3

TJ = TB + ΨJB * PD = ？+ 10.5* 1.3

通常來說兩種不同的方法測量計算出來的結果會比較匹配，如果不匹配，則可能具體哪個參數出現了變化。且一般ΨJT、ΨJB會比RθJA計算結果更為準確。

五、降低熱阻的常見做法

通過上面的分析我們知道，對于LDO來說，其熱耗是其非常重要，需要重點關注的一個指標，熱耗*熱阻等于結溫溫升，結溫溫升限制了LDO的使用溫度范圍。因此除了常見的通過降低LDO的輸入輸出壓降、輸出電流控制熱耗外，還可以通過降低熱阻來進行優化，其具體做法包括：

1）通過PCB布局優化，LDO遠離發熱器件；

2）通過PCB布線優化，LDO的輸入輸出端的銅皮盡可能大一點，底部散熱焊盤的散熱過孔等；

3）通過散熱冷板優化，通過散熱冷板進行傳熱以降低RθJA；

4）根據不同熱耗需求選擇不同封裝的LDO。

5）還可以在LDO輸入端串接電阻分散熱耗，但需要注意電阻選型。