Тепловое проектирование для линейных стабилизаторов напряжения
Будет ли ваш линейный стабилизатор работать правильно при всех возможных условиях эксплуатации? Чтобы это выяснить, нужно учитывать рассеиваемую мощность и тепловое сопротивление.
Вспомогательная информация
Разработчик, будь осторожен
На первый взгляд линейные стабилизаторы напряжения кажутся такими простыми. В техническом описании на деталь указаны максимальное входное напряжение, максимальный выходной ток и выходное напряжение (если выходной сигнал является фиксированным, а не переменным). Если ваши требования к проектированию немного выше, вы также можете проверить точность выходного напряжения, падение напряжения, выходной шум и диапазон рабочих температур окружающей среды. Если все эти характеристики выглядят хорошо, вы можете взять эту деталь, и всё будет хорошо, верно? Ну, в большинстве случаев, да, всё будет хорошо, но также возможно, что проект полностью провалится.
Ток против мощности
Первое, что нужно понять, это то, что максимальный выходной ток детали не является изолированным параметром. Выходной ток влияет на рассеиваемую мощность, а рассеиваемая мощность влияет на температуру PN переходов, и если температура PN переходов становится слишком высокой, деталь перестает работать как нужно. Возможно необратимое повреждение, хотя большинство (возможно, все) современных линейных стабилизаторов включают в себя схемы тепловой защиты, которые просто ограничивают выходной ток в попытке снизить внутреннюю температуру. В любом случае, ваш проект будет работать со сбоями; что еще хуже, это может привести к неисправностям, возникающим странным или прерывистым образом, что может привести к потенциально высоким уровням разочарований, вызванных устранением неисправностей. Лучшее лекарство, как обычно, это профилактика.
Две температуры
Подтверждая, что конкретный компонент совместим с температурными требованиями системы, мы обычно смотрим на диапазон рабочих температур окружающей среды, указанный в техническом описании детали. Это подходит для большинства ситуаций, но, тем не менее, довольно неточно. Строго говоря, температура окружающей среды не определяет, будет ли компонент работать правильно, точно так же, как температура воздуха на улице напрямую не определяет, удобно ли вам находиться в вашем доме. Что действительно важно, так это внутренняя температура, то есть температура, при которой находятся полупроводники – в конце концов, именно транзисторы регулируют напряжение, а не пластиковый корпус. Эта внутренняя температура называется температурой перехода (PN перехода).
Обычно мы можем рассматривать только диапазон температур окружающей среды потому, что температура PN перехода часто аналогична температуре окружающей среды. Если вы живете в продуваемой деревянной лачуге и готовите на открытом воздухе на открытом огне, температура внутри лачуги не будет сильно отличаться от температуры на улице. Это просто тепловое равновесие в действии. То же самое происходит со многими электронными компонентами, потому что многие электронные компоненты не рассеивают значительное количество энергии. Это критически важный момент. Датчики, преобразователи данных, микроконтроллеры, логические элементы и т. д. имеют склонность рассеивать небольшие количества энергии, и, следовательно, температура PN перехода не сильно отличается от температуры окружающей среды. Но линейные стабилизаторы напряжения это отдельная история. Представьте, что вы пекли хлеб в этой деревянной лачуге целый день. Это более или менее то, что делает стабилизатор напряжения, и в результате получается температура перехода, которая может значительно превышать температуру окружающей среды. Следовательно, одним из ключей к надежной конструкции линейного стабилизатора является обеспечение того, чтобы температура перехода оставалась в допустимом диапазоне даже при наихудших условиях эксплуатации.
Во-первых, рассчитаем мощность
Двумя факторами, определяющими разницу между температурой окружающей среды и температурой перехода, являются рассеиваемая мощность и тепловое сопротивление. Сначала давайте рассмотрим рассеивание мощности.
На этой диаграмме показаны два пути протекания тока в линейном стабилизаторе; путь от входного вывода непосредственно к земле называется током на землю (IGND), а путь от входного вывода к земле через питаемую цепь – ток нагрузки (Iнагр). Внутреннее рассеивание мощности в результате протекания этих двух токов
\[P_{I_{GND}}\ \ =I_{GND}\times V_{вх}\]
\[P_{I_{нагр}}\ \ \ =I_{нагр}\times\left(V_{вх}-V_{вых}\right)\]
Таким образом, общая рассеиваемая мощность внутри стабилизатора будет равна:
\[P_{общ}=\left(I_{GND}\times V_{вх}\right)+\left(I_{нагр}\times\left(V_{вх}-V_{вых}\right)\right)\]
Ток на землю, то есть ток, потребляемый внутренней схемой регулятора в процессе генерации регулируемого выходного напряжения, обычно будет намного меньше, чем ток нагрузки. Поэтому, если вы не хотите проверять технические спецификации тока на землю, вы можете просто проигнорировать этот параметр, и результат всё равно будет довольно близок к реальности.
Тепловое сопротивление
Мощность, рассеиваемая внутри стабилизатора, приводит к постоянному различию между температурой перехода и температурой окружающей среды. Итак, мы знаем, что внутренняя схема стабилизатора всегда будет горячее окружающей среды; вопрос в том, насколько горячее? Здесь в игру вступает тепловое сопротивление. Как следует из названия, эта величина соответствует тому, насколько сильное сопротивление оказывается потоку тепла. В контексте конструкции стабилизатора более высокое тепловое сопротивление означает, что существует более высокое сопротивление к теплу, которое хочет перетекать из внутренней части стабилизатора в окружающую среду. Более высокое сопротивление означает меньший тепловой поток, а меньший тепловой поток означает бо́льшую разницу температур в установившемся режиме. Это соотношение отражено в следующей формуле, где тепловое сопротивление обозначено, как θ, и имеет единицы измерения °C/Вт.
\[\Delta T_{переход-окр.среда}=P_{общ}\times\theta_{переход-окр.среда}\]
Таким образом, если вам известны рассеиваемая мощность стабилизатор (Pобщ) и тепловое сопротивление от внутренней схемы к окружающей среде (θпереход-окр.среда), вы можете рассчитать разницу между температурой окружающей среды и температурой перехода (ΔTпереход-окр.среда). К сожалению, определить θпереход-окр.среда не совсем не так просто.
Первое, что нужно понять, это то, что θпереход-окр.среда не является фиксированной величиной. Оно зависит от вашего проекта печатной платы. На самом деле, это важный момент: вы не можете предполагать, что диапазон температуры окружающей среды, указанный в техническом описании стабилизатора, действителен для всех вариантов компоновки печатных плат. Другими словами, если вы подвергаете стабилизатор максимальному входному напряжению и максимальному выходному току, компоновка печатной платы с высоким тепловым сопротивлением может вызвать перегрев детали, даже если температура окружающей среды остается в допустимом диапазоне.
Тщательное тепловое проектирование может быть решающим моментом!
Давайте рассмотрим пример, чтобы продемонстрировать важность учета теплового сопротивления в ваших проектах со стабилизаторами напряжения. Этот пример использует стабилизатор напряжения ADP3338 с низким падением напряжения от Analog Devices. Его необходимые технические параметры приведены ниже:
| Максимальный ток нагрузки | 1000 мА |
| Максимальный ток на землю | 30 мА |
| Выходное напряжение | 3,3 В |
| Максимальное входное напряжение | 8 В |
| Максимальная температура перехода | 150°C |
| Максимальная температура окружающей среды | 85°C |
Итак, сначала нам нужно ответить на следующий вопрос: если устройство подвергается наихудшим условиям эксплуатации, насколько низким должно быть тепловое сопротивление? Мы можем изменить приведенную выше формулу следующим образом:
\[\theta_{переход-окр.среда} = \frac{\Delta T_{переход-окр.среда}}{P_{общ}}\]
Подставив соответствующие значения, мы получим следующее:
\[\theta_{переход-окр.среда}= \frac{(150^{\circ}C-85^{\circ}C)}{(0,03\ А\times8\ В)+(1\ A\times(8\ В-3,3\ В))}= \frac{65^{\circ}C}{4,94\ Вт}=13,2\ \frac{^{\circ}C}{Вт}\]
Всё идет нормально... кроме того, что такое низкое тепловое сопротивление невозможно обеспечить! Рассмотрим следующую диаграмму из технического описания ADP3338:
Эта диаграмма предназначена для того, чтобы дать вам представление о том, какое тепловое сопротивление следует ожидать от различных вариантов компоновки печатных плат. Так что, если вы просто припаяете этот регулятор к вашей плате, не предоставляя никакой дополнительной меди для рассеивания тепла, тепловое сопротивление будет выше примерно в десять раз. Даже самая правая схема, включающая в себя довольно большую медную площадку, дает всё еще намного большее тепловое сопротивление, чем 13,2°C/Вт, необходимые для работы в худшем случае. Вы можете дополнительно уменьшить тепловое сопротивление, расширив площадь медной площадки и используя многочисленные переходные отверстия, чтобы обеспечить теплу путь к другим слоям печатной платы, но даже в этом случае вы никогда не достигнете 13,2°C/Вт. Это связано с тем, что тепловое сопротивление «переход – окружающая среда» является суммой теплового сопротивления «корпус – окружающая среда» (зависит от компоновки) и теплового сопротивления «переход – корпус» (зависит только от корпуса микросхемы). Тепловое сопротивление «переход – корпус» у ADP3338 составляет 26,8°C/Вт – уже в два раза больше, чем общее тепловое сопротивление, необходимое для наихудших условий эксплуатации. Конечно, это крайний пример. На практике вы не доводите деталь до предела, подобного этому. Обычно требуемое тепловое сопротивление достижимо, но вам может потребоваться что-то, гораздо большее, чем минимальные медные площадки.
Заключение
Правильное тепловое проектирование линейных стабилизаторов легко упустить из виду, поскольку во многих случаях рабочие условия настолько далеки от наихудших, поэтому проект будет работать, даже если вы никогда не вспомните про тепловое сопротивление. Но процесс на самом деле довольно прост, и он может спасти вашу плату от печального выхода из строя при высокой температуре окружающей среды. Вы просто рассчитываете рассеивание мощности в худшем случае, а затем на основе информации из технического описания компонента (или аналога) оцениваете тепловое сопротивление. После этого вы можете рассчитать максимальную температуру окружающей среды, при которой температура перехода устройства будет ниже указанного максимума.