在通常的LDO设计中,热阻参数的考虑常常被忽略。但是,该参数对电源系统的影响却是很大的,因为LDO的该参数若是选择不当,就容易造成LDO芯片功耗过大、过热而进入热保护状态,导致电源断电。
最近在一个系统的电源芯片的选型中(系统输入为3.3V,需要得到1.8V的电压,该1.8V所需最大电流250mA左右),为了减小纹波对系统性能的影响,考虑用LDO来进行电压转换,最初选择了Sipex一个LDO(SP6205EM5-ADJ,SOT-23-5)。
该芯片的主要参数为:2.7V~5.5V的电压输入范围;500mA电流输出;输出电压可调;具有限流和热保护功能;等。
咋一看,该电源芯片可满足系统需求,250mA的所需电流用500mA也是余量足够了。但与同事讨论,其说该芯片根本达不到500mA的输出电流,因为其热阻较高。于是,我开始详细的阅读该芯片Datasheet,发现其确实存在该问题。
以下讨论都是以该芯片的SOT-23-5封装为例说明。
Thermal Resistance: SOT-23-5(QJA):191 ℃/W
DFN-8(QJA):59 ℃/W
最大功率消耗为:PD(max) = (TJ(max)-TA)/ θJA,其中,TJ为节点温度,TA为环境温度,θJA为热阻。
当芯片超过了最大允许功耗时,节点温度会过高,从而芯片进入热保护模式。
SP6205-ADJ(SOT-23-5封装)的最大功耗为:
PD(max) = ( 125℃ – 25℃ ) / (191 ℃/W) = 523 mW
实际工作过程中,芯片功耗为:
PD = ( Vin – Vout)*Iout + Vin * IGND (1)
通常,IGND为uA级(比如:SP6205在500mA输出时的IGND=0.35mA),若要求不是特别精确,基本可忽略Vin*IGND该项的影响。
因此,芯片实际工作时的功耗必须限制在最大允许功耗范围内,超过PD(max)则芯片进入热保护模式。
根据式(1),我们就可以算出以下参数:
(a)在已知输入输出压差的条件下,得出最大输出电流
例如:输入电压5V,输出电压3V,则:
523mW = (5V – 3V)*I(load(max)) + 5V * 0.35mA,
则 I(load(max)) = 260.6mA。
(b)在已知负载电流的条件下,得出输入输出允许最大压差
例如:输出电压为3V,负载电流为400mA,则:
523mW = (Vin – 3V)* 400mA + Vin * 0.35mA,
则 Vin(max) = 4.3V,△Vmax=1.3V。
所以,在LDO电源芯片选型的过程中,应该根据实际情况的需求,认真考虑其热阻参数。
回到本文开头说提到的系统需求,计算得到的实际最大输出电流为:I(load(max)) = 347mA。与芯片500mA的输出电流相比,电流余量大大降低了。而且,该电流最大值是在环境温度25℃理想情况下计算得到的,随着工作时间的推移,芯片的温度会逐渐升高,该输出电流的最大值还会进一步降低。其500mA的输出电流只有在输入输出压差1V以内、室温25℃的情况下才可以得到。
从以上分析可见,LDO的热阻参数对其它参数(如输出电流、输入输出压差等)是有较大影响的,必须予以考虑。选型时应尽量选择热阻小的芯片或封装,尤其是同一型号芯片的不同封装,其热阻会相差较大,比如以上电源芯片SP6205的DFN-8封装,其热阻就只有59℃/W,较之SOT-23-5封装的191℃/W小了不少。