熱原因與散熱設(shè)計(jì)：從功耗計(jì)算到PCB布局實(shí)戰(zhàn))
搞電源設(shè)計(jì)這些年被問(wèn)得最多的問(wèn)題之一就是我這板子5V進(jìn)來(lái)用一個(gè)LDO降到3.3V給單片機(jī)供電電流也就兩三百毫安怎么LDO燙得手都摸不住說(shuō)實(shí)話我第一次做板子也干過(guò)這事上電一摸芯片直接縮手。這不是芯片壞了也不是設(shè)計(jì)錯(cuò)了而是熱沒(méi)算清楚。LDO這東西很多人把它當(dāng)成一個(gè)簡(jiǎn)單的穩(wěn)壓塊輸入端一接、輸出端一掛電容就完事。至于中間那個(gè)調(diào)整管上壓了多少電壓、燒了多少功率、芯片內(nèi)部結(jié)溫漲到多少度基本沒(méi)概念。等到板子在整機(jī)里跑起來(lái)芯片熱關(guān)斷、輸出電壓往下掉、系統(tǒng)莫名其妙復(fù)位才回頭查電源。這篇文章就圍繞這個(gè)高頻問(wèn)題展開(kāi)5V轉(zhuǎn)3.3V的LDO到底有多燙、功耗怎么手算、散熱怎么布置、哪些坑是反復(fù)有人踩的。我這里不講玄學(xué)全按實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)把原理、公式、算例、實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)一次說(shuō)透適合剛?cè)腴T(mén)畫(huà)板子的人也適合被LDO燙傷過(guò)的老工程師拿來(lái)對(duì)照排查。1. 為什么5V降到3.3V會(huì)白白燒掉這么多功率1.1 LDO的本質(zhì)就是一個(gè)可變電阻理解LDO發(fā)熱要先忘掉穩(wěn)壓芯片這個(gè)抽象概念回到電路模型。LDO內(nèi)部的核心器件是調(diào)整管pass transistor它工作在放大區(qū)線性區(qū)輸入輸出之間的壓差等于調(diào)整管自身承擔(dān)的電壓。你可以把調(diào)整管想象成一個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)的可變電阻負(fù)載電流變大它阻值調(diào)小一點(diǎn)負(fù)載電流變小它阻值調(diào)大一點(diǎn)始終讓輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)定值。既然是電阻電流流過(guò)它就會(huì)發(fā)熱。這正是LDO效率上吃虧的本質(zhì)原因。公式很簡(jiǎn)單[ P_{LDO} (V_{IN} - V_{OUT}) \times I_{OUT} ]這個(gè) (P_{LDO}) 就是調(diào)整管上損耗的功率幾乎全部轉(zhuǎn)化為熱量。除了這一項(xiàng)還有芯片自身的靜態(tài)電流 (I_Q) 消耗(P_Q V_{IN} \times I_Q)。靜態(tài)電流來(lái)自芯片內(nèi)部基準(zhǔn)、誤差放大器、分壓電阻這些電路。不過(guò)多數(shù)LDO的 (I_Q) 只有幾十微安到幾毫安和負(fù)載電流相比常?？珊雎缘诘凸拇龣C(jī)場(chǎng)景下這一項(xiàng)反而會(huì)變成主角?；氐筋}目5V轉(zhuǎn)3.3V壓差是1.7V。這個(gè)數(shù)字看著不大但乘以負(fù)載電流就嚇人了。負(fù)載電流調(diào)整管功耗直觀感受10 mA0.017 W幾乎沒(méi)溫度100 mA0.17 W溫溫的300 mA0.51 W明顯燙手500 mA0.85 WSOT-23封裝直接熱關(guān)斷1 A1.7 W需要精心設(shè)計(jì)散熱否則絕對(duì)燒很多人有個(gè)誤區(qū)電流才300mA不大啊。可是別忘了壓差是1.7V功耗是壓差和電流的乘積兩個(gè)因素要一起看。同樣的300mA換成12V轉(zhuǎn)5V就是2.1W普通封裝的LDO瞬間到達(dá)熱極限。這也是為什么輸入電壓越高越不建議用LDO做大幅降壓。1.2 效率上LDO的下限在哪里既然LDO是靠消耗功率來(lái)穩(wěn)壓的它的效率天然受限。忽略靜態(tài)電流時(shí)LDO效率約等于輸出電壓除以輸入電壓[ \eta \frac{V_{OUT}}{V_{IN}} \times 100% ]5V轉(zhuǎn)3.3V最高效率理論上只有66%。也就是說(shuō)每給負(fù)載送出1W能量輸入就得給2W另外1W全變成熱量。如果是從12V直接降到3.3V效率只剩27.5%超過(guò)七成的能量變成熱這在電池供電或高密度板卡上根本無(wú)法接受。這是LDO的物理特性決定的不是芯片做得不好。設(shè)計(jì)電源方案時(shí)在腦子里形成這個(gè)判斷習(xí)慣壓差超過(guò)2V、電流超過(guò)300mA我就要停下來(lái)考慮是不是該換DC-DC了。這里的臨界值會(huì)被封裝和散熱條件拉高或降低后面會(huì)詳細(xì)算。不過(guò)也不能因?yàn)長(zhǎng)DO效率低就一棍子打死。LDO有DC-DC替代不了的優(yōu)勢(shì)輸出紋波極低典型幾十微伏量級(jí)、無(wú)開(kāi)關(guān)噪聲、成本低、外圍只需兩顆電容、響應(yīng)速度快。所以實(shí)際項(xiàng)目里常把DC-DC先降到3.6V或3.8V再用LDO降到3.3V給模擬電路供電——既保住效率又保住紋波干凈。這個(gè)兩級(jí)方案是模擬電源的經(jīng)典做法。2. 手把手算一組真實(shí)數(shù)字從功耗到結(jié)溫2.1 一個(gè)具體案例300mA負(fù)載下的SOT-23封裝紙上談兵沒(méi)意思我直接拿實(shí)際場(chǎng)景算一遍。假設(shè)系統(tǒng)5V輸入3.3V輸出峰值負(fù)載300mA環(huán)境溫度最高50℃產(chǎn)品裝在密封外殼里或夏天戶外LDO選的是常見(jiàn)AMS1117-3.3的SOT-23版本。第一步算功耗[ P (5 - 3.3) \times 0.3 0.51W ]加上靜態(tài)電流AMS1117的 (I_Q) 算5mA輸入側(cè)額外消耗[ P_Q 5V \times 5mA 0.025W ]總功耗 (P_{total} \approx 0.535W)。這里 (I_Q) 額外貢獻(xiàn)了約5%的熱量雖然不大但算熱設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該納入。第二步查熱阻。SOT-23封裝在普通兩層板、無(wú)刻意鋪銅散熱條件下結(jié)到環(huán)境的熱阻 (\theta_{JA}) 大約在180~220℃/W。我按200℃/W算。第三步算結(jié)溫[ T_J T_A P \times \theta_{JA} 50 0.535 \times 200 157℃ ]而常規(guī)LDO的允許最高結(jié)溫 (T_{J,max}) 是125℃部分車(chē)規(guī)、高溫型號(hào)到150℃。157℃遠(yuǎn)超上限芯片會(huì)觸發(fā)內(nèi)部過(guò)溫保護(hù)輸出電壓掉下去系統(tǒng)重啟或者芯片直接加速老化損壞。結(jié)論很清楚SOT-23封裝的LDO在5V轉(zhuǎn)3.3V、300mA、50℃環(huán)境溫度下熱設(shè)計(jì)不達(dá)標(biāo)。這個(gè)場(chǎng)景下芯片燙手不是偶然而是數(shù)學(xué)上必然的。2.2 換封裝、降電流、降環(huán)境溫度各能緩解多少還是同樣條件把封裝換成SOT-223。這個(gè)封裝的散熱焊盤(pán)比SOT-23大得多在兩層板常規(guī)布局下 (\theta_{JA}) 大約60~90℃/W按70℃/W算[ T_J 50 0.535 \times 70 87.45℃ ]87℃的結(jié)溫對(duì)125℃上限來(lái)說(shuō)雖然還有約37℃的余量但在密閉設(shè)備里長(zhǎng)期運(yùn)行不算特別寬裕。如果負(fù)載是持續(xù)300mA而不是脈沖我會(huì)再謹(jǐn)慎一點(diǎn)。把同一個(gè)SOT-23封裝放到電流降低的場(chǎng)景150mA負(fù)載[ P (5-3.3) \times 0.15 5 \times 0.005 0.28W ][ T_J 50 0.28 \times 200 106℃ ]106℃沒(méi)超過(guò)125℃但余量只剩19℃?？紤]到 (\theta_{JA}200) 是個(gè)很樂(lè)觀的估計(jì)如果PCB銅箔面積小、環(huán)境還有熱源實(shí)際溫度會(huì)更高。所以即便150mASOT-23用在50℃環(huán)境里也只能算勉強(qiáng)夠用前提還得是PCB布局給力。再看環(huán)境溫度的影響。同樣的SOT-223、300mA方案環(huán)境溫度換成常溫25℃[ T_J 25 0.535 \times 70 62.45℃ ]62℃就很安全了。這也解釋了為什么很多開(kāi)發(fā)板用AMS1117不熱因?yàn)殚_(kāi)發(fā)板工作環(huán)境通常是實(shí)驗(yàn)室25℃空調(diào)房而且板上大面積鋪銅貢獻(xiàn)了額外散熱面積。你照抄到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)60℃的密閉控制箱里基本必炸。2.3 用熱阻公式反推這個(gè)封裝能承受多大功率熱阻公式可以反過(guò)來(lái)用算出給定環(huán)境下封裝允許的最大功耗[ P_{max} \frac{T_{J,max} - T_{A,max}}{\theta_{JA}} ]以125℃結(jié)溫上限、50℃環(huán)境、SOT-23的200℃/W為例[ P_{max} \frac{125-50}{200} 0.375W ]對(duì)應(yīng)5V轉(zhuǎn)3.3V可承載電流上限忽略 (I_Q)[ I_{max} \approx \frac{P_{max}}{V_{IN}-V_{OUT}} \frac{0.375}{1.7} \approx 220mA ]所以前面判斷300mA超了是有量化依據(jù)的。同樣條件下SOT-223按70℃/W算[ P_{max} \frac{125-50}{70} \approx 1.07W ]對(duì)應(yīng)電流約630mA。這就是為什么SOT-223版本的AMS1117在5V轉(zhuǎn)3.3V時(shí)能勉強(qiáng)帶500mA負(fù)載——再大也不行了。提示這個(gè)反推公式非常實(shí)用。任何LDO產(chǎn)品頁(yè)給的熱阻值都可以直接換算成這個(gè)芯片、這個(gè)封裝、在我的環(huán)境溫度下最多能燒多少瓦再結(jié)合壓差換算成可承載電流。選型之前先算這本書(shū)比先焊上去再摸溫度靠譜得多。3. 選型時(shí)要盯住的熱參數(shù)不是只看Vin和Iout3.1 熱阻 θJA、θJC、θJB 到底誰(shuí)有用看LDO datasheet時(shí)熱阻這一欄往往有多個(gè)值選錯(cuò)會(huì)讓你散熱設(shè)計(jì)完全跑偏。我先把三個(gè)最常用的參數(shù)講明白θJA結(jié)到環(huán)境熱阻芯片內(nèi)部發(fā)熱點(diǎn)到外部空氣的總熱阻包含了封裝內(nèi)部熱傳導(dǎo)、引腳傳到PCB、PCB表面自然對(duì)流和輻射的全過(guò)程。這是評(píng)估PCB自然散熱時(shí)最常用的值。問(wèn)題在于它強(qiáng)烈依賴(lài)PCB條件datasheet上的值通常是在JEDEC標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試板4層特定尺寸銅箔上測(cè)的你的板子條件更好或更差實(shí)際數(shù)字會(huì)明顯不同。θJC結(jié)到外殼熱阻芯片內(nèi)部到封裝表面的熱阻。如果你打算在芯片頂部加散熱器會(huì)用到這個(gè)參數(shù)。對(duì)貼片LDO意義不大因?yàn)槎鄶?shù)不會(huì)貼散熱片。θJB結(jié)到PCB基板熱阻芯片內(nèi)部到PCB焊接區(qū)域的熱阻反映熱量通過(guò)焊盤(pán)傳到PCB的效率。對(duì)底部有散熱焊盤(pán)的封裝這個(gè)參數(shù)更有參考價(jià)值。這里給一組我實(shí)測(cè)積累的典型封裝熱阻參考值兩層板、常規(guī)鋪銅非JEDEC標(biāo)準(zhǔn)條件僅作橫向?qū)Ρ确庋b典型 θJA℃/W允許功耗 50℃環(huán)境125℃結(jié)溫SOT-23180~2200.34~0.42 WSOT-8960~1000.75~1.25 WSOT-22355~850.88~1.36 WSOP-8帶散熱焊盤(pán)40~601.25~1.88 WTO-252DPAK30~501.5~2.5 WDFN-6底部大焊盤(pán)25~401.88~3.0 W注意這些數(shù)值是參考數(shù)量級(jí)具體器件之間差異可能超過(guò)兩倍。選型做熱設(shè)計(jì)時(shí)要以具體datasheet給出的熱阻為準(zhǔn)而且最好對(duì)datasheet的熱阻稍微打個(gè)折——因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)測(cè)試板的鋪銅條件往往優(yōu)于你最終產(chǎn)品的實(shí)際情況。3.2 看規(guī)格書(shū)容易漏掉的三個(gè)熱相關(guān)參數(shù)除了熱阻選LDO時(shí)還有三個(gè)參數(shù)間接影響發(fā)熱很多人不看第一個(gè)是靜態(tài)電流 (I_Q)。普通LDO的 (I_Q) 可能在幾十微安到幾毫安之間且隨輸入電壓升高而升高。在物聯(lián)網(wǎng)終端、無(wú)線傳感器這類(lèi)長(zhǎng)期待機(jī)的設(shè)備上負(fù)載電流本來(lái)就小(I_Q) 可能成為主要功耗來(lái)源。比如電池供電、待機(jī)電流10μA的MCU系統(tǒng)配一個(gè) (I_Q2mA) 的LDO電池大部分能量都被LDO自己吃掉了。這類(lèi)場(chǎng)景要選低 (I_Q) 的LDO比如幾百納安的型號(hào)。第二個(gè)是dropout電壓壓差。LDO要維持穩(wěn)壓輸入輸出之間必須有一個(gè)最小壓差。常規(guī)LDO需要1V以上壓差LDO負(fù)載越大dropout越高。如果在5V轉(zhuǎn)3.3V場(chǎng)景選了dropout 1.5V的型號(hào)那實(shí)際可用的穩(wěn)壓裕量只剩0.2V輸入稍微波動(dòng)就不穩(wěn)壓了。不過(guò)對(duì)發(fā)熱來(lái)說(shuō)壓差并不是越大越好——理想壓差是剛好滿足穩(wěn)壓需求然后用DC-DC解決大壓差的效率問(wèn)題。第三個(gè)是PSRR電源抑制比與電流的曲線。很多人選LDO給模擬前端供電盯著PSRR在100kHz處有沒(méi)有80dB卻忽略了大電流下PSRR會(huì)跌落。實(shí)際上在輸出電流高達(dá)幾百毫安時(shí)為了滿足紋波指標(biāo)而硬選LDO散熱壓力會(huì)很大。更好的思路是DC-DC先降到3.6V左右再用小電流LDO濾波既滿足PSRR又控制發(fā)熱。3.3 什么時(shí)候該果斷換DC-DC一個(gè)經(jīng)驗(yàn)判斷我可以給你一個(gè)簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)判斷標(biāo)準(zhǔn)避免每次都在LDO和DC-DC之間糾結(jié)半天計(jì)算壓差×電流的乘積如果超過(guò)0.5W就要認(rèn)真考慮DC-DC了超過(guò)1W直接放棄單級(jí)LDO方案。0.5W以下用合適封裝SOT-223或更大良好PCB散熱可以解決0.5~1W就要仔細(xì)設(shè)計(jì)散熱并確認(rèn)環(huán)境溫度超過(guò)1W即使能用也是勉強(qiáng)生扛長(zhǎng)期可靠性堪憂。當(dāng)然這只是一個(gè)起始參考值。如果板子面積緊張、沒(méi)有空間做大面積鋪銅或者環(huán)境溫度高這個(gè)閾值還要降低。我曾經(jīng)做過(guò)一個(gè)項(xiàng)目因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)限制LDO周邊PCB空間極小實(shí)際散熱條件很差最后0.4W的功耗芯片結(jié)溫就逼近了120℃。后來(lái)把輸入電壓從5V改成3.6V壓差從1.7V降到0.3V還選了一顆超低壓差的LDO功耗從0.4W直接掉到0.07W問(wèn)題徹底解決。很多時(shí)候改善熱問(wèn)題不是先上散熱器而是先改系統(tǒng)電壓分配。這是電源架構(gòu)層面的降耗比任何散熱措施都治本。4. PCB布局是散熱的第一戰(zhàn)場(chǎng)銅箔、過(guò)孔與主流做法4.1 散熱焊盤(pán)不接地等于白選很多現(xiàn)代LDO采用帶有**外露散熱焊盤(pán)exposed pad**的封裝比如SOP-8-PP、DFN、QFN。這個(gè)焊盤(pán)是芯片內(nèi)部晶圓通過(guò)綁線或die attach直接連到封裝底部的導(dǎo)熱路徑是芯片散熱的主通道。但我在不少板子上看到開(kāi)發(fā)者把散熱焊盤(pán)當(dāng)成一個(gè)普通引腳隨便打幾個(gè)過(guò)孔或者干脆懸空甚至有個(gè)別設(shè)計(jì)把散熱焊盤(pán)當(dāng)散熱用卻沒(méi)連到足夠大的銅箔。這樣一來(lái)芯片內(nèi)部的熱量傳到焊盤(pán)后無(wú)處擴(kuò)散散熱焊盤(pán)形同虛設(shè)。正確做法是散熱焊盤(pán)不僅要連銅箔還要連到大面積的地平面或電源平面上。因?yàn)殂~箔是PCB上最好的導(dǎo)熱材料熱阻遠(yuǎn)低于FR4基材。SOP-8這類(lèi)封裝的 (θ_{JC,bottom}) 通常比 (θ_{JC,top}) 低一個(gè)數(shù)量級(jí)熱量主要從底部走。不讓底部熱路接通就是浪費(fèi)這個(gè)封裝。4.2 銅箔面積對(duì)熱阻的影響有多大銅箔面積對(duì)熱阻的影響可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)感受一顆SOT-223封裝當(dāng)焊盤(pán)周?chē)~箔面積從零增加到約2cm2時(shí)θJA 可以從約120℃/W降到約60℃/W改善將近一倍。再繼續(xù)增加銅箔面積改善幅度會(huì)變緩——大約在1000mm2以上時(shí)θJA 下降趨勢(shì)就非常平了。這背后的物理原因是熱量擴(kuò)散靠的是銅箔表面積與空氣換熱。面積從小到大換熱面積同步從小到大面積超過(guò)一定值后熱阻主要受封裝內(nèi)部傳導(dǎo)和空氣對(duì)流系數(shù)限制再加銅箔收益有限。實(shí)操中我會(huì)遵循幾條原則想讓LDO的散熱焊盤(pán)充分發(fā)揮作用散熱銅箔面積目標(biāo)做到至少300mm2以上大約相當(dāng)于1元硬幣的面積如果空間允許盡量到600mm2以上。散熱銅箔要做在LDO所在的同一層因?yàn)檫^(guò)孔雖能導(dǎo)熱但每個(gè)過(guò)孔有15~25℃/W的軸向熱阻數(shù)量不夠時(shí)不如整片銅箔直接相連。如果LDO在頂層底層對(duì)應(yīng)區(qū)域也鋪銅并用過(guò)孔把兩層連起來(lái)。雙層散熱比單層效果提升明顯。銅箔不要做成細(xì)長(zhǎng)條盡量接近正方形這能保持較低的熱擴(kuò)散電阻。4.3 過(guò)孔陣列的正確打開(kāi)方式在散熱焊盤(pán)下面打一排過(guò)孔是常見(jiàn)的強(qiáng)化散熱手段。但過(guò)孔不是打得越多越好有兩個(gè)關(guān)鍵細(xì)節(jié)容易出問(wèn)題第一過(guò)孔孔徑和數(shù)量要平衡。我實(shí)測(cè)的經(jīng)驗(yàn)是使用0.3mm孔徑、1.0mm間距的過(guò)孔陣列雙面鋪銅時(shí)15~25個(gè)過(guò)孔組合下來(lái)可以把散熱焊盤(pán)到背面銅箔的熱阻降低一半左右。但過(guò)孔開(kāi)得太大太密會(huì)破壞銅箔的連續(xù)性反而在回流焊時(shí)把焊錫吸走造成虛焊?？讖?.3mm左右是比較穩(wěn)妥的起點(diǎn)工藝上完全能hold住。第二過(guò)孔必須能夠?qū)岫皇潜挥湍滤馈Ｓ行㏄CB廠家默認(rèn)把所有過(guò)孔用阻焊油墨填平via tenting這會(huì)顯著增加過(guò)孔熱阻。需要散熱能力時(shí)下單時(shí)要在工藝說(shuō)明里注明過(guò)孔開(kāi)窗不覆蓋阻焊或者選用塞銅過(guò)孔甚至可要求工廠做樹(shù)脂填平表面鍍銅雖然成本略高但導(dǎo)熱效果是最好的。4.4 一個(gè)真實(shí)案例布局調(diào)整讓結(jié)溫降了20℃我在一個(gè)工業(yè)控制板上遇到過(guò)具體案例。原設(shè)計(jì)用一顆SOP-8封裝的3.3V LDO從24V經(jīng)過(guò)DC-DC降到5V后再由LDO降到3.3V負(fù)載電流約300mALDO功耗約0.5W。產(chǎn)線反饋部分板子在高溫老化時(shí)偶發(fā)復(fù)位。排查時(shí)我先量板子局部溫度用熱電偶貼在LDO封裝表面密閉殼體內(nèi)溫度約65℃環(huán)境下封裝表面溫度到了98℃。估算起來(lái)結(jié)溫已經(jīng)逼近甚至超過(guò)125℃。原設(shè)計(jì)的問(wèn)題很明顯LDO放在PCB邊緣散熱焊盤(pán)下只有4個(gè)過(guò)孔背面銅箔被走線割得七零八落沒(méi)有完整接地平面。整改方案是把LDO移到鋪銅更完整的區(qū)域保證散熱焊盤(pán)下方背面的地平面完整過(guò)孔從4個(gè)增加到20個(gè)孔徑0.3mm間距0.8mm并且要求工廠開(kāi)窗不覆蓋阻焊頂面和底面圍繞LDO區(qū)域各鋪出一塊約500mm2的接地銅箔確保周邊沒(méi)有其他高發(fā)熱器件原來(lái)旁邊就是一顆DC-DC電感。整改后再測(cè)同樣65℃密閉環(huán)境封裝表面溫度從98℃降到了78℃附近相當(dāng)于結(jié)溫降了約20℃系統(tǒng)復(fù)位問(wèn)題消失。那次的改動(dòng)沒(méi)有換芯片、沒(méi)有加散熱器純粹靠PCB散熱路徑的優(yōu)化就解決了問(wèn)題?？梢?jiàn)在動(dòng)手抱怨LDO太燙之前先把板子上的散熱條件做扎實(shí)才是正路。5. 那些我踩過(guò)的坑熱關(guān)斷、紋波和高壓差的連鎖反應(yīng)5.1 熱關(guān)斷的假死現(xiàn)象最坑人LDO芯片幾乎都內(nèi)置過(guò)溫保護(hù)結(jié)溫超過(guò)閾值一般是150℃~160℃就關(guān)斷輸出降到滯回區(qū)間再重新啟動(dòng)。這個(gè)保護(hù)機(jī)制的坑在于在負(fù)載是周期性脈沖的場(chǎng)景下芯片會(huì)進(jìn)入工作→過(guò)熱→關(guān)斷→冷卻→重啟→工作的循環(huán)輸出電壓時(shí)有時(shí)無(wú)系統(tǒng)表現(xiàn)為隨機(jī)死機(jī)或重啟排查起來(lái)極容易誤判成程序跑飛、看門(mén)狗誤觸發(fā)、或者外部干擾。我自己就犯過(guò)這個(gè)錯(cuò)。有個(gè)低功耗無(wú)線傳感器項(xiàng)目MCU平時(shí)休眠每10秒發(fā)送一次數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)電流約250mA、持續(xù)20ms。理論上平均功耗很低LDO溫度不應(yīng)該高。但實(shí)際產(chǎn)品在戶外強(qiáng)光下外殼溫度60℃左右偶爾出現(xiàn)數(shù)據(jù)中斷。用示波器抓了LDO輸出端看到發(fā)送期間輸出掉到2V以下然后恢復(fù)。查了芯片結(jié)溫估算才發(fā)現(xiàn)發(fā)送的20ms內(nèi)LDO瞬時(shí)功耗高達(dá)0.5W雖然平均功耗低但20ms足以在SOT-23封裝內(nèi)部把溫度迅速推高15~20℃再加上環(huán)境溫度60℃這個(gè)基數(shù)結(jié)溫直接沖過(guò)高點(diǎn)觸發(fā)保護(hù)。這種問(wèn)題的隱蔽性在于你測(cè)平均功耗會(huì)覺(jué)得一切正常但熱失效看的是瞬態(tài)峰值功耗不是平均值。低頻大電流脈沖對(duì)LDO的熱沖擊往往比持續(xù)小電流更致命。對(duì)策要么選封裝更大的LDO要么把發(fā)送電流的持續(xù)時(shí)間壓短要么干脆改用DC-DC。5.2 密閉殼體里的實(shí)際環(huán)境溫度遠(yuǎn)超你想象另一個(gè)高頻翻車(chē)點(diǎn)是環(huán)境溫度的取值。我在第2章的計(jì)算里用了50℃作為環(huán)境溫度有人可能覺(jué)得怎么會(huì)這么高實(shí)際上密閉鈑金或塑料殼體內(nèi)設(shè)備自身發(fā)熱加上陽(yáng)光直射或戶外日照內(nèi)部空氣溫度比室溫高10~20℃是常見(jiàn)的事。一個(gè)沒(méi)有通風(fēng)口的塑料外殼輕度負(fù)載發(fā)熱就能讓內(nèi)部溫度到45~55℃如果旁邊還有DC-DC、功率電阻、電機(jī)驅(qū)動(dòng)這些熱源內(nèi)部溫度到70℃都不稀奇。所以做熱設(shè)計(jì)時(shí)環(huán)境溫度一定要按最?lèi)毫庸r下的殼體內(nèi)部空氣溫度來(lái)算。如果條件允許在樣機(jī)上貼熱電偶實(shí)測(cè)比任何估算都準(zhǔn)。沒(méi)有實(shí)測(cè)條件的話保守做法是室內(nèi)設(shè)備取50℃戶外設(shè)備取60~70℃作為最低估算基準(zhǔn)并且盡量買(mǎi)耐高溫結(jié)溫150℃的LDO留出余量。5.3 高壓差場(chǎng)景的功耗不是看起來(lái)小搜索熱詞里出現(xiàn)了很多24V轉(zhuǎn)5V24V轉(zhuǎn)3.3V12V轉(zhuǎn)5V相關(guān)的問(wèn)題這類(lèi)場(chǎng)景的功耗問(wèn)題會(huì)被壓差放大很多倍。以24V轉(zhuǎn)3.3V輸出100mA為例[ P (24 - 3.3) \times 0.1 2.07W ]這個(gè)數(shù)值已經(jīng)超出絕大多數(shù)貼片LDO封裝能長(zhǎng)期承受的功耗范圍。SOT-223即便在理想PCB散熱條件下允許功耗也就1~1.4W。所以24V系統(tǒng)里直接用LDO降到3.3V在工程上幾乎都是不可行的。合理做法是先用DC-DC降壓到5V或3.6V再用LDO做二次穩(wěn)壓。DC-DC承擔(dān)壓差LDO負(fù)責(zé)紋波和噪聲各司其職。如果系統(tǒng)對(duì)紋波沒(méi)那么敏感甚至可以直接用DC-DC一路降到3.3V省掉LDO。我在很多項(xiàng)目里的經(jīng)驗(yàn)是數(shù)字電路供電DC-DC處理得當(dāng)輸出電容選型、布局規(guī)范、必要時(shí)加LC濾波紋波完全夠用只有ADC參考電壓、模擬前端、射頻供電這些才對(duì)LDO有剛需。5.4 輸出端TVS和電容選擇引發(fā)的次生災(zāi)害熱詞里有一條5v電源輸出端要不要加入tvs管這個(gè)問(wèn)題的答案很明確輸入和輸出端都需要適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)但用法完全不同選錯(cuò)反而會(huì)發(fā)熱。輸入端靠近電源入口可以放TVS吸收浪涌和靜電輸出端給LDO后面連接的敏感負(fù)載加TVS時(shí)要特別注意TVS的鉗位電壓。比如3.3V輸出端若是接了鉗位電壓偏低的5V規(guī)格TVS它可能在正常工作電壓附近就輕微導(dǎo)通產(chǎn)生額外漏電流和發(fā)熱。更穩(wěn)妥的做法是輸出端TVS選鉗位電壓離3.3V足夠遠(yuǎn)的型號(hào)或者干脆只在輸入側(cè)加TVS輸出側(cè)用電容ESD保護(hù)器件組合。還有陶瓷電容的使用問(wèn)題。為了保證LDO穩(wěn)定輸出端一般要求最小ESR或特定容值范圍?，F(xiàn)在MLCC陶瓷電容ESR很低某些老型號(hào)LDO會(huì)因此發(fā)生振蕩表現(xiàn)為輸出電壓出現(xiàn)高頻紋波、芯片功耗異常增大甚至發(fā)燙。我是遇到過(guò)有人把AMS1117輸出端直接并了100μF陶瓷電容結(jié)果芯片燙得厲害換回10μF電解電容之后恢復(fù)正常。所以LDO輸出電容不是越大越好要參考datasheet的穩(wěn)定條件遵循ESR和容值范圍來(lái)選。必要的時(shí)候在陶瓷電容上串聯(lián)一個(gè)小電阻模擬等效串聯(lián)電阻也是一種辦法。5.5 低功耗場(chǎng)景里L(fēng)DO自身耗電變成主要矛盾低功耗無(wú)線終端、電池供電傳感器的興起讓低靜態(tài)電流LDO變成選型時(shí)的關(guān)鍵點(diǎn)。這類(lèi)系統(tǒng)待機(jī)電流可能只有幾個(gè)微安但普通LDO的靜態(tài)電流就有2~5mA——也就是說(shuō)系統(tǒng)待機(jī)時(shí)電池的絕大部分能量被LDO自己消耗掉了。這類(lèi)場(chǎng)景我一般建議注意兩點(diǎn)。首先是優(yōu)先選擇 (I_Q) 在幾百納安到幾微安級(jí)別的超低靜態(tài)電流LDO比如Torex、RICHTEK、TI的部分低功耗系列。其次是確認(rèn)所選LDO在輕載時(shí)的功耗是否與負(fù)載電流匹配——很多LDO在輕載時(shí)雖然 (I_Q) 小但如果分壓電阻取值過(guò)大反饋網(wǎng)絡(luò)的電阻電流也可能拖累輕載效率。datasheet背面注釋里通常會(huì)給出待機(jī)功耗數(shù)據(jù)選型時(shí)看一眼比什么都強(qiáng)。如果是MCU射頻SoC這類(lèi)需要頻繁收發(fā)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)DC-DC加低功耗LDO的組合往往更好地兼顧效率和噪聲。DC-DC在重載時(shí)效率高待機(jī)時(shí)可以進(jìn)入輕載省電模式LDO則用來(lái)保證射頻供電的純凈度。這種組合方案在電池供電的端側(cè)AI視覺(jué)模塊上尤其常見(jiàn)。5.6 熱關(guān)斷后的二次損傷反復(fù)過(guò)熱不是自動(dòng)恢復(fù)就完了有些工程師覺(jué)得芯片有過(guò)溫保護(hù)燙到保護(hù)頂多停機(jī)冷下來(lái)再啟動(dòng)就行了。這個(gè)想法在開(kāi)發(fā)階段可能蒙混過(guò)關(guān)但在產(chǎn)品生命周期里是隱患。每次過(guò)溫關(guān)斷芯片內(nèi)部結(jié)溫大幅度波動(dòng)焊點(diǎn)承受熱應(yīng)力長(zhǎng)期下來(lái)封裝焊盤(pán)和PCB焊盤(pán)之間容易產(chǎn)生裂紋出現(xiàn)間歇性接觸不良。而且很多LDO過(guò)溫保護(hù)有滯回區(qū)間熱關(guān)斷一次之后恢復(fù)點(diǎn)溫度低于關(guān)斷點(diǎn)如果系統(tǒng)負(fù)載還掛著LDO會(huì)反復(fù)開(kāi)關(guān)短時(shí)間內(nèi)多次應(yīng)力循環(huán)比一次性過(guò)熱更傷芯片。所以我的排查優(yōu)先級(jí)是先解決熱問(wèn)題不要把希望寄托在保護(hù)功能上。熱關(guān)斷是最后一道防線不是讓你隨便踩的。最后做設(shè)計(jì)時(shí)遇到LDO發(fā)熱可以按這個(gè)順序排查測(cè)量實(shí)際輸入輸出電壓、電流算實(shí)際功耗 → 查找datasheet熱阻參數(shù)結(jié)合殼體環(huán)境溫度計(jì)算結(jié)溫 → 檢查PCB散熱條件散熱焊盤(pán)、銅箔面積、過(guò)孔→ 評(píng)估是否需要換封裝或換方案DC-DC、改變系統(tǒng)電壓分配。這幾步走完99%的LDO發(fā)熱問(wèn)題都能找到明確原因并解決。我這幾年的項(xiàng)目里真正需要通過(guò)加散熱器來(lái)硬扛的LDO場(chǎng)景其實(shí)很少大部分發(fā)熱問(wèn)題在選型和布局階段就應(yīng)該被消滅掉。 LDO發(fā)熱原因與散熱設(shè)計(jì)：從功耗計(jì)算到PCB布局實(shí)戰(zhàn)
搞電源設(shè)計(jì)這些年被問(wèn)得最多的問(wèn)題之一就是我這板子5V進(jìn)來(lái)用一個(gè)LDO降到3.3V給單片機(jī)供電電流也就兩三百毫安怎么LDO燙得手都摸不住說(shuō)實(shí)話我第一次做板子也干過(guò)這事上電一摸芯片直接縮手。這不是芯片壞了也不是設(shè)計(jì)錯(cuò)了而是熱沒(méi)算清楚。LDO這東西很多人把它當(dāng)成一個(gè)簡(jiǎn)單的穩(wěn)壓塊輸入端一接、輸出端一掛電容就完事。至于中間那個(gè)調(diào)整管上壓了多少電壓、燒了多少功率、芯片內(nèi)部結(jié)溫漲到多少度基本沒(méi)概念。等到板子在整機(jī)里跑起來(lái)芯片熱關(guān)斷、輸出電壓往下掉、系統(tǒng)莫名其妙復(fù)位才回頭查電源。這篇文章就圍繞這個(gè)高頻問(wèn)題展開(kāi)5V轉(zhuǎn)3.3V的LDO到底有多燙、功耗怎么手算、散熱怎么布置、哪些坑是反復(fù)有人踩的。我這里不講玄學(xué)全按實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)把原理、公式、算例、實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)一次說(shuō)透適合剛?cè)腴T(mén)畫(huà)板子的人也適合被LDO燙傷過(guò)的老工程師拿來(lái)對(duì)照排查。1. 為什么5V降到3.3V會(huì)白白燒掉這么多功率1.1 LDO的本質(zhì)就是一個(gè)可變電阻理解LDO發(fā)熱要先忘掉穩(wěn)壓芯片這個(gè)抽象概念回到電路模型。LDO內(nèi)部的核心器件是調(diào)整管pass transistor它工作在放大區(qū)線性區(qū)輸入輸出之間的壓差等于調(diào)整管自身承擔(dān)的電壓。你可以把調(diào)整管想象成一個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)的可變電阻負(fù)載電流變大它阻值調(diào)小一點(diǎn)負(fù)載電流變小它阻值調(diào)大一點(diǎn)始終讓輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)定值。既然是電阻電流流過(guò)它就會(huì)發(fā)熱。這正是LDO效率上吃虧的本質(zhì)原因。公式很簡(jiǎn)單[ P_{LDO} (V_{IN} - V_{OUT}) \times I_{OUT} ]這個(gè) (P_{LDO}) 就是調(diào)整管上損耗的功率幾乎全部轉(zhuǎn)化為熱量。除了這一項(xiàng)還有芯片自身的靜態(tài)電流 (I_Q) 消耗(P_Q V_{IN} \times I_Q)。靜態(tài)電流來(lái)自芯片內(nèi)部基準(zhǔn)、誤差放大器、分壓電阻這些電路。不過(guò)多數(shù)LDO的 (I_Q) 只有幾十微安到幾毫安和負(fù)載電流相比常?？珊雎缘诘凸拇龣C(jī)場(chǎng)景下這一項(xiàng)反而會(huì)變成主角?；氐筋}目5V轉(zhuǎn)3.3V壓差是1.7V。這個(gè)數(shù)字看著不大但乘以負(fù)載電流就嚇人了。負(fù)載電流調(diào)整管功耗直觀感受10 mA0.017 W幾乎沒(méi)溫度100 mA0.17 W溫溫的300 mA0.51 W明顯燙手500 mA0.85 WSOT-23封裝直接熱關(guān)斷1 A1.7 W需要精心設(shè)計(jì)散熱否則絕對(duì)燒很多人有個(gè)誤區(qū)電流才300mA不大啊。可是別忘了壓差是1.7V功耗是壓差和電流的乘積兩個(gè)因素要一起看。同樣的300mA換成12V轉(zhuǎn)5V就是2.1W普通封裝的LDO瞬間到達(dá)熱極限。這也是為什么輸入電壓越高越不建議用LDO做大幅降壓。1.2 效率上LDO的下限在哪里既然LDO是靠消耗功率來(lái)穩(wěn)壓的它的效率天然受限。忽略靜態(tài)電流時(shí)LDO效率約等于輸出電壓除以輸入電壓[ \eta \frac{V_{OUT}}{V_{IN}} \times 100% ]5V轉(zhuǎn)3.3V最高效率理論上只有66%。也就是說(shuō)每給負(fù)載送出1W能量輸入就得給2W另外1W全變成熱量。如果是從12V直接降到3.3V效率只剩27.5%超過(guò)七成的能量變成熱這在電池供電或高密度板卡上根本無(wú)法接受。這是LDO的物理特性決定的不是芯片做得不好。設(shè)計(jì)電源方案時(shí)在腦子里形成這個(gè)判斷習(xí)慣壓差超過(guò)2V、電流超過(guò)300mA我就要停下來(lái)考慮是不是該換DC-DC了。這里的臨界值會(huì)被封裝和散熱條件拉高或降低后面會(huì)詳細(xì)算。不過(guò)也不能因?yàn)長(zhǎng)DO效率低就一棍子打死。LDO有DC-DC替代不了的優(yōu)勢(shì)輸出紋波極低典型幾十微伏量級(jí)、無(wú)開(kāi)關(guān)噪聲、成本低、外圍只需兩顆電容、響應(yīng)速度快。所以實(shí)際項(xiàng)目里常把DC-DC先降到3.6V或3.8V再用LDO降到3.3V給模擬電路供電——既保住效率又保住紋波干凈。這個(gè)兩級(jí)方案是模擬電源的經(jīng)典做法。2. 手把手算一組真實(shí)數(shù)字從功耗到結(jié)溫2.1 一個(gè)具體案例300mA負(fù)載下的SOT-23封裝紙上談兵沒(méi)意思我直接拿實(shí)際場(chǎng)景算一遍。假設(shè)系統(tǒng)5V輸入3.3V輸出峰值負(fù)載300mA環(huán)境溫度最高50℃產(chǎn)品裝在密封外殼里或夏天戶外LDO選的是常見(jiàn)AMS1117-3.3的SOT-23版本。第一步算功耗[ P (5 - 3.3) \times 0.3 0.51W ]加上靜態(tài)電流AMS1117的 (I_Q) 算5mA輸入側(cè)額外消耗[ P_Q 5V \times 5mA 0.025W ]總功耗 (P_{total} \approx 0.535W)。這里 (I_Q) 額外貢獻(xiàn)了約5%的熱量雖然不大但算熱設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該納入。第二步查熱阻。SOT-23封裝在普通兩層板、無(wú)刻意鋪銅散熱條件下結(jié)到環(huán)境的熱阻 (\theta_{JA}) 大約在180~220℃/W。我按200℃/W算。第三步算結(jié)溫[ T_J T_A P \times \theta_{JA} 50 0.535 \times 200 157℃ ]而常規(guī)LDO的允許最高結(jié)溫 (T_{J,max}) 是125℃部分車(chē)規(guī)、高溫型號(hào)到150℃。157℃遠(yuǎn)超上限芯片會(huì)觸發(fā)內(nèi)部過(guò)溫保護(hù)輸出電壓掉下去系統(tǒng)重啟或者芯片直接加速老化損壞。結(jié)論很清楚SOT-23封裝的LDO在5V轉(zhuǎn)3.3V、300mA、50℃環(huán)境溫度下熱設(shè)計(jì)不達(dá)標(biāo)。這個(gè)場(chǎng)景下芯片燙手不是偶然而是數(shù)學(xué)上必然的。2.2 換封裝、降電流、降環(huán)境溫度各能緩解多少還是同樣條件把封裝換成SOT-223。這個(gè)封裝的散熱焊盤(pán)比SOT-23大得多在兩層板常規(guī)布局下 (\theta_{JA}) 大約60~90℃/W按70℃/W算[ T_J 50 0.535 \times 70 87.45℃ ]87℃的結(jié)溫對(duì)125℃上限來(lái)說(shuō)雖然還有約37℃的余量但在密閉設(shè)備里長(zhǎng)期運(yùn)行不算特別寬裕。如果負(fù)載是持續(xù)300mA而不是脈沖我會(huì)再謹(jǐn)慎一點(diǎn)。把同一個(gè)SOT-23封裝放到電流降低的場(chǎng)景150mA負(fù)載[ P (5-3.3) \times 0.15 5 \times 0.005 0.28W ][ T_J 50 0.28 \times 200 106℃ ]106℃沒(méi)超過(guò)125℃但余量只剩19℃?？紤]到 (\theta_{JA}200) 是個(gè)很樂(lè)觀的估計(jì)如果PCB銅箔面積小、環(huán)境還有熱源實(shí)際溫度會(huì)更高。所以即便150mASOT-23用在50℃環(huán)境里也只能算勉強(qiáng)夠用前提還得是PCB布局給力。再看環(huán)境溫度的影響。同樣的SOT-223、300mA方案環(huán)境溫度換成常溫25℃[ T_J 25 0.535 \times 70 62.45℃ ]62℃就很安全了。這也解釋了為什么很多開(kāi)發(fā)板用AMS1117不熱因?yàn)殚_(kāi)發(fā)板工作環(huán)境通常是實(shí)驗(yàn)室25℃空調(diào)房而且板上大面積鋪銅貢獻(xiàn)了額外散熱面積。你照抄到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)60℃的密閉控制箱里基本必炸。2.3 用熱阻公式反推這個(gè)封裝能承受多大功率熱阻公式可以反過(guò)來(lái)用算出給定環(huán)境下封裝允許的最大功耗[ P_{max} \frac{T_{J,max} - T_{A,max}}{\theta_{JA}} ]以125℃結(jié)溫上限、50℃環(huán)境、SOT-23的200℃/W為例[ P_{max} \frac{125-50}{200} 0.375W ]對(duì)應(yīng)5V轉(zhuǎn)3.3V可承載電流上限忽略 (I_Q)[ I_{max} \approx \frac{P_{max}}{V_{IN}-V_{OUT}} \frac{0.375}{1.7} \approx 220mA ]所以前面判斷300mA超了是有量化依據(jù)的。同樣條件下SOT-223按70℃/W算[ P_{max} \frac{125-50}{70} \approx 1.07W ]對(duì)應(yīng)電流約630mA。這就是為什么SOT-223版本的AMS1117在5V轉(zhuǎn)3.3V時(shí)能勉強(qiáng)帶500mA負(fù)載——再大也不行了。提示這個(gè)反推公式非常實(shí)用。任何LDO產(chǎn)品頁(yè)給的熱阻值都可以直接換算成這個(gè)芯片、這個(gè)封裝、在我的環(huán)境溫度下最多能燒多少瓦再結(jié)合壓差換算成可承載電流。選型之前先算這本書(shū)比先焊上去再摸溫度靠譜得多。3. 選型時(shí)要盯住的熱參數(shù)不是只看Vin和Iout3.1 熱阻 θJA、θJC、θJB 到底誰(shuí)有用看LDO datasheet時(shí)熱阻這一欄往往有多個(gè)值選錯(cuò)會(huì)讓你散熱設(shè)計(jì)完全跑偏。我先把三個(gè)最常用的參數(shù)講明白θJA結(jié)到環(huán)境熱阻芯片內(nèi)部發(fā)熱點(diǎn)到外部空氣的總熱阻包含了封裝內(nèi)部熱傳導(dǎo)、引腳傳到PCB、PCB表面自然對(duì)流和輻射的全過(guò)程。這是評(píng)估PCB自然散熱時(shí)最常用的值。問(wèn)題在于它強(qiáng)烈依賴(lài)PCB條件datasheet上的值通常是在JEDEC標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試板4層特定尺寸銅箔上測(cè)的你的板子條件更好或更差實(shí)際數(shù)字會(huì)明顯不同。θJC結(jié)到外殼熱阻芯片內(nèi)部到封裝表面的熱阻。如果你打算在芯片頂部加散熱器會(huì)用到這個(gè)參數(shù)。對(duì)貼片LDO意義不大因?yàn)槎鄶?shù)不會(huì)貼散熱片。θJB結(jié)到PCB基板熱阻芯片內(nèi)部到PCB焊接區(qū)域的熱阻反映熱量通過(guò)焊盤(pán)傳到PCB的效率。對(duì)底部有散熱焊盤(pán)的封裝這個(gè)參數(shù)更有參考價(jià)值。這里給一組我實(shí)測(cè)積累的典型封裝熱阻參考值兩層板、常規(guī)鋪銅非JEDEC標(biāo)準(zhǔn)條件僅作橫向?qū)Ρ确庋b典型 θJA℃/W允許功耗 50℃環(huán)境125℃結(jié)溫SOT-23180~2200.34~0.42 WSOT-8960~1000.75~1.25 WSOT-22355~850.88~1.36 WSOP-8帶散熱焊盤(pán)40~601.25~1.88 WTO-252DPAK30~501.5~2.5 WDFN-6底部大焊盤(pán)25~401.88~3.0 W注意這些數(shù)值是參考數(shù)量級(jí)具體器件之間差異可能超過(guò)兩倍。選型做熱設(shè)計(jì)時(shí)要以具體datasheet給出的熱阻為準(zhǔn)而且最好對(duì)datasheet的熱阻稍微打個(gè)折——因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)測(cè)試板的鋪銅條件往往優(yōu)于你最終產(chǎn)品的實(shí)際情況。3.2 看規(guī)格書(shū)容易漏掉的三個(gè)熱相關(guān)參數(shù)除了熱阻選LDO時(shí)還有三個(gè)參數(shù)間接影響發(fā)熱很多人不看第一個(gè)是靜態(tài)電流 (I_Q)。普通LDO的 (I_Q) 可能在幾十微安到幾毫安之間且隨輸入電壓升高而升高。在物聯(lián)網(wǎng)終端、無(wú)線傳感器這類(lèi)長(zhǎng)期待機(jī)的設(shè)備上負(fù)載電流本來(lái)就小(I_Q) 可能成為主要功耗來(lái)源。比如電池供電、待機(jī)電流10μA的MCU系統(tǒng)配一個(gè) (I_Q2mA) 的LDO電池大部分能量都被LDO自己吃掉了。這類(lèi)場(chǎng)景要選低 (I_Q) 的LDO比如幾百納安的型號(hào)。第二個(gè)是dropout電壓壓差。LDO要維持穩(wěn)壓輸入輸出之間必須有一個(gè)最小壓差。常規(guī)LDO需要1V以上壓差LDO負(fù)載越大dropout越高。如果在5V轉(zhuǎn)3.3V場(chǎng)景選了dropout 1.5V的型號(hào)那實(shí)際可用的穩(wěn)壓裕量只剩0.2V輸入稍微波動(dòng)就不穩(wěn)壓了。不過(guò)對(duì)發(fā)熱來(lái)說(shuō)壓差并不是越大越好——理想壓差是剛好滿足穩(wěn)壓需求然后用DC-DC解決大壓差的效率問(wèn)題。第三個(gè)是PSRR電源抑制比與電流的曲線。很多人選LDO給模擬前端供電盯著PSRR在100kHz處有沒(méi)有80dB卻忽略了大電流下PSRR會(huì)跌落。實(shí)際上在輸出電流高達(dá)幾百毫安時(shí)為了滿足紋波指標(biāo)而硬選LDO散熱壓力會(huì)很大。更好的思路是DC-DC先降到3.6V左右再用小電流LDO濾波既滿足PSRR又控制發(fā)熱。3.3 什么時(shí)候該果斷換DC-DC一個(gè)經(jīng)驗(yàn)判斷我可以給你一個(gè)簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)判斷標(biāo)準(zhǔn)避免每次都在LDO和DC-DC之間糾結(jié)半天計(jì)算壓差×電流的乘積如果超過(guò)0.5W就要認(rèn)真考慮DC-DC了超過(guò)1W直接放棄單級(jí)LDO方案。0.5W以下用合適封裝SOT-223或更大良好PCB散熱可以解決0.5~1W就要仔細(xì)設(shè)計(jì)散熱并確認(rèn)環(huán)境溫度超過(guò)1W即使能用也是勉強(qiáng)生扛長(zhǎng)期可靠性堪憂。當(dāng)然這只是一個(gè)起始參考值。如果板子面積緊張、沒(méi)有空間做大面積鋪銅或者環(huán)境溫度高這個(gè)閾值還要降低。我曾經(jīng)做過(guò)一個(gè)項(xiàng)目因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)限制LDO周邊PCB空間極小實(shí)際散熱條件很差最后0.4W的功耗芯片結(jié)溫就逼近了120℃。后來(lái)把輸入電壓從5V改成3.6V壓差從1.7V降到0.3V還選了一顆超低壓差的LDO功耗從0.4W直接掉到0.07W問(wèn)題徹底解決。很多時(shí)候改善熱問(wèn)題不是先上散熱器而是先改系統(tǒng)電壓分配。這是電源架構(gòu)層面的降耗比任何散熱措施都治本。4. PCB布局是散熱的第一戰(zhàn)場(chǎng)銅箔、過(guò)孔與主流做法4.1 散熱焊盤(pán)不接地等于白選很多現(xiàn)代LDO采用帶有**外露散熱焊盤(pán)exposed pad**的封裝比如SOP-8-PP、DFN、QFN。這個(gè)焊盤(pán)是芯片內(nèi)部晶圓通過(guò)綁線或die attach直接連到封裝底部的導(dǎo)熱路徑是芯片散熱的主通道。但我在不少板子上看到開(kāi)發(fā)者把散熱焊盤(pán)當(dāng)成一個(gè)普通引腳隨便打幾個(gè)過(guò)孔或者干脆懸空甚至有個(gè)別設(shè)計(jì)把散熱焊盤(pán)當(dāng)散熱用卻沒(méi)連到足夠大的銅箔。這樣一來(lái)芯片內(nèi)部的熱量傳到焊盤(pán)后無(wú)處擴(kuò)散散熱焊盤(pán)形同虛設(shè)。正確做法是散熱焊盤(pán)不僅要連銅箔還要連到大面積的地平面或電源平面上。因?yàn)殂~箔是PCB上最好的導(dǎo)熱材料熱阻遠(yuǎn)低于FR4基材。SOP-8這類(lèi)封裝的 (θ_{JC,bottom}) 通常比 (θ_{JC,top}) 低一個(gè)數(shù)量級(jí)熱量主要從底部走。不讓底部熱路接通就是浪費(fèi)這個(gè)封裝。4.2 銅箔面積對(duì)熱阻的影響有多大銅箔面積對(duì)熱阻的影響可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)感受一顆SOT-223封裝當(dāng)焊盤(pán)周?chē)~箔面積從零增加到約2cm2時(shí)θJA 可以從約120℃/W降到約60℃/W改善將近一倍。再繼續(xù)增加銅箔面積改善幅度會(huì)變緩——大約在1000mm2以上時(shí)θJA 下降趨勢(shì)就非常平了。這背后的物理原因是熱量擴(kuò)散靠的是銅箔表面積與空氣換熱。面積從小到大換熱面積同步從小到大面積超過(guò)一定值后熱阻主要受封裝內(nèi)部傳導(dǎo)和空氣對(duì)流系數(shù)限制再加銅箔收益有限。實(shí)操中我會(huì)遵循幾條原則想讓LDO的散熱焊盤(pán)充分發(fā)揮作用散熱銅箔面積目標(biāo)做到至少300mm2以上大約相當(dāng)于1元硬幣的面積如果空間允許盡量到600mm2以上。散熱銅箔要做在LDO所在的同一層因?yàn)檫^(guò)孔雖能導(dǎo)熱但每個(gè)過(guò)孔有15~25℃/W的軸向熱阻數(shù)量不夠時(shí)不如整片銅箔直接相連。如果LDO在頂層底層對(duì)應(yīng)區(qū)域也鋪銅并用過(guò)孔把兩層連起來(lái)。雙層散熱比單層效果提升明顯。銅箔不要做成細(xì)長(zhǎng)條盡量接近正方形這能保持較低的熱擴(kuò)散電阻。4.3 過(guò)孔陣列的正確打開(kāi)方式在散熱焊盤(pán)下面打一排過(guò)孔是常見(jiàn)的強(qiáng)化散熱手段。但過(guò)孔不是打得越多越好有兩個(gè)關(guān)鍵細(xì)節(jié)容易出問(wèn)題第一過(guò)孔孔徑和數(shù)量要平衡。我實(shí)測(cè)的經(jīng)驗(yàn)是使用0.3mm孔徑、1.0mm間距的過(guò)孔陣列雙面鋪銅時(shí)15~25個(gè)過(guò)孔組合下來(lái)可以把散熱焊盤(pán)到背面銅箔的熱阻降低一半左右。但過(guò)孔開(kāi)得太大太密會(huì)破壞銅箔的連續(xù)性反而在回流焊時(shí)把焊錫吸走造成虛焊?？讖?.3mm左右是比較穩(wěn)妥的起點(diǎn)工藝上完全能hold住。第二過(guò)孔必須能夠?qū)岫皇潜挥湍滤馈Ｓ行㏄CB廠家默認(rèn)把所有過(guò)孔用阻焊油墨填平via tenting這會(huì)顯著增加過(guò)孔熱阻。需要散熱能力時(shí)下單時(shí)要在工藝說(shuō)明里注明過(guò)孔開(kāi)窗不覆蓋阻焊或者選用塞銅過(guò)孔甚至可要求工廠做樹(shù)脂填平表面鍍銅雖然成本略高但導(dǎo)熱效果是最好的。4.4 一個(gè)真實(shí)案例布局調(diào)整讓結(jié)溫降了20℃我在一個(gè)工業(yè)控制板上遇到過(guò)具體案例。原設(shè)計(jì)用一顆SOP-8封裝的3.3V LDO從24V經(jīng)過(guò)DC-DC降到5V后再由LDO降到3.3V負(fù)載電流約300mALDO功耗約0.5W。產(chǎn)線反饋部分板子在高溫老化時(shí)偶發(fā)復(fù)位。排查時(shí)我先量板子局部溫度用熱電偶貼在LDO封裝表面密閉殼體內(nèi)溫度約65℃環(huán)境下封裝表面溫度到了98℃。估算起來(lái)結(jié)溫已經(jīng)逼近甚至超過(guò)125℃。原設(shè)計(jì)的問(wèn)題很明顯LDO放在PCB邊緣散熱焊盤(pán)下只有4個(gè)過(guò)孔背面銅箔被走線割得七零八落沒(méi)有完整接地平面。整改方案是把LDO移到鋪銅更完整的區(qū)域保證散熱焊盤(pán)下方背面的地平面完整過(guò)孔從4個(gè)增加到20個(gè)孔徑0.3mm間距0.8mm并且要求工廠開(kāi)窗不覆蓋阻焊頂面和底面圍繞LDO區(qū)域各鋪出一塊約500mm2的接地銅箔確保周邊沒(méi)有其他高發(fā)熱器件原來(lái)旁邊就是一顆DC-DC電感。整改后再測(cè)同樣65℃密閉環(huán)境封裝表面溫度從98℃降到了78℃附近相當(dāng)于結(jié)溫降了約20℃系統(tǒng)復(fù)位問(wèn)題消失。那次的改動(dòng)沒(méi)有換芯片、沒(méi)有加散熱器純粹靠PCB散熱路徑的優(yōu)化就解決了問(wèn)題?？梢?jiàn)在動(dòng)手抱怨LDO太燙之前先把板子上的散熱條件做扎實(shí)才是正路。5. 那些我踩過(guò)的坑熱關(guān)斷、紋波和高壓差的連鎖反應(yīng)5.1 熱關(guān)斷的假死現(xiàn)象最坑人LDO芯片幾乎都內(nèi)置過(guò)溫保護(hù)結(jié)溫超過(guò)閾值一般是150℃~160℃就關(guān)斷輸出降到滯回區(qū)間再重新啟動(dòng)。這個(gè)保護(hù)機(jī)制的坑在于在負(fù)載是周期性脈沖的場(chǎng)景下芯片會(huì)進(jìn)入工作→過(guò)熱→關(guān)斷→冷卻→重啟→工作的循環(huán)輸出電壓時(shí)有時(shí)無(wú)系統(tǒng)表現(xiàn)為隨機(jī)死機(jī)或重啟排查起來(lái)極容易誤判成程序跑飛、看門(mén)狗誤觸發(fā)、或者外部干擾。我自己就犯過(guò)這個(gè)錯(cuò)。有個(gè)低功耗無(wú)線傳感器項(xiàng)目MCU平時(shí)休眠每10秒發(fā)送一次數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)電流約250mA、持續(xù)20ms。理論上平均功耗很低LDO溫度不應(yīng)該高。但實(shí)際產(chǎn)品在戶外強(qiáng)光下外殼溫度60℃左右偶爾出現(xiàn)數(shù)據(jù)中斷。用示波器抓了LDO輸出端看到發(fā)送期間輸出掉到2V以下然后恢復(fù)。查了芯片結(jié)溫估算才發(fā)現(xiàn)發(fā)送的20ms內(nèi)LDO瞬時(shí)功耗高達(dá)0.5W雖然平均功耗低但20ms足以在SOT-23封裝內(nèi)部把溫度迅速推高15~20℃再加上環(huán)境溫度60℃這個(gè)基數(shù)結(jié)溫直接沖過(guò)高點(diǎn)觸發(fā)保護(hù)。這種問(wèn)題的隱蔽性在于你測(cè)平均功耗會(huì)覺(jué)得一切正常但熱失效看的是瞬態(tài)峰值功耗不是平均值。低頻大電流脈沖對(duì)LDO的熱沖擊往往比持續(xù)小電流更致命。對(duì)策要么選封裝更大的LDO要么把發(fā)送電流的持續(xù)時(shí)間壓短要么干脆改用DC-DC。5.2 密閉殼體里的實(shí)際環(huán)境溫度遠(yuǎn)超你想象另一個(gè)高頻翻車(chē)點(diǎn)是環(huán)境溫度的取值。我在第2章的計(jì)算里用了50℃作為環(huán)境溫度有人可能覺(jué)得怎么會(huì)這么高實(shí)際上密閉鈑金或塑料殼體內(nèi)設(shè)備自身發(fā)熱加上陽(yáng)光直射或戶外日照內(nèi)部空氣溫度比室溫高10~20℃是常見(jiàn)的事。一個(gè)沒(méi)有通風(fēng)口的塑料外殼輕度負(fù)載發(fā)熱就能讓內(nèi)部溫度到45~55℃如果旁邊還有DC-DC、功率電阻、電機(jī)驅(qū)動(dòng)這些熱源內(nèi)部溫度到70℃都不稀奇。所以做熱設(shè)計(jì)時(shí)環(huán)境溫度一定要按最?lèi)毫庸r下的殼體內(nèi)部空氣溫度來(lái)算。如果條件允許在樣機(jī)上貼熱電偶實(shí)測(cè)比任何估算都準(zhǔn)。沒(méi)有實(shí)測(cè)條件的話保守做法是室內(nèi)設(shè)備取50℃戶外設(shè)備取60~70℃作為最低估算基準(zhǔn)并且盡量買(mǎi)耐高溫結(jié)溫150℃的LDO留出余量。5.3 高壓差場(chǎng)景的功耗不是看起來(lái)小搜索熱詞里出現(xiàn)了很多24V轉(zhuǎn)5V24V轉(zhuǎn)3.3V12V轉(zhuǎn)5V相關(guān)的問(wèn)題這類(lèi)場(chǎng)景的功耗問(wèn)題會(huì)被壓差放大很多倍。以24V轉(zhuǎn)3.3V輸出100mA為例[ P (24 - 3.3) \times 0.1 2.07W ]這個(gè)數(shù)值已經(jīng)超出絕大多數(shù)貼片LDO封裝能長(zhǎng)期承受的功耗范圍。SOT-223即便在理想PCB散熱條件下允許功耗也就1~1.4W。所以24V系統(tǒng)里直接用LDO降到3.3V在工程上幾乎都是不可行的。合理做法是先用DC-DC降壓到5V或3.6V再用LDO做二次穩(wěn)壓。DC-DC承擔(dān)壓差LDO負(fù)責(zé)紋波和噪聲各司其職。如果系統(tǒng)對(duì)紋波沒(méi)那么敏感甚至可以直接用DC-DC一路降到3.3V省掉LDO。我在很多項(xiàng)目里的經(jīng)驗(yàn)是數(shù)字電路供電DC-DC處理得當(dāng)輸出電容選型、布局規(guī)范、必要時(shí)加LC濾波紋波完全夠用只有ADC參考電壓、模擬前端、射頻供電這些才對(duì)LDO有剛需。5.4 輸出端TVS和電容選擇引發(fā)的次生災(zāi)害熱詞里有一條5v電源輸出端要不要加入tvs管這個(gè)問(wèn)題的答案很明確輸入和輸出端都需要適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)但用法完全不同選錯(cuò)反而會(huì)發(fā)熱。輸入端靠近電源入口可以放TVS吸收浪涌和靜電輸出端給LDO后面連接的敏感負(fù)載加TVS時(shí)要特別注意TVS的鉗位電壓。比如3.3V輸出端若是接了鉗位電壓偏低的5V規(guī)格TVS它可能在正常工作電壓附近就輕微導(dǎo)通產(chǎn)生額外漏電流和發(fā)熱。更穩(wěn)妥的做法是輸出端TVS選鉗位電壓離3.3V足夠遠(yuǎn)的型號(hào)或者干脆只在輸入側(cè)加TVS輸出側(cè)用電容ESD保護(hù)器件組合。還有陶瓷電容的使用問(wèn)題。為了保證LDO穩(wěn)定輸出端一般要求最小ESR或特定容值范圍?，F(xiàn)在MLCC陶瓷電容ESR很低某些老型號(hào)LDO會(huì)因此發(fā)生振蕩表現(xiàn)為輸出電壓出現(xiàn)高頻紋波、芯片功耗異常增大甚至發(fā)燙。我是遇到過(guò)有人把AMS1117輸出端直接并了100μF陶瓷電容結(jié)果芯片燙得厲害換回10μF電解電容之后恢復(fù)正常。所以LDO輸出電容不是越大越好要參考datasheet的穩(wěn)定條件遵循ESR和容值范圍來(lái)選。必要的時(shí)候在陶瓷電容上串聯(lián)一個(gè)小電阻模擬等效串聯(lián)電阻也是一種辦法。5.5 低功耗場(chǎng)景里L(fēng)DO自身耗電變成主要矛盾低功耗無(wú)線終端、電池供電傳感器的興起讓低靜態(tài)電流LDO變成選型時(shí)的關(guān)鍵點(diǎn)。這類(lèi)系統(tǒng)待機(jī)電流可能只有幾個(gè)微安但普通LDO的靜態(tài)電流就有2~5mA——也就是說(shuō)系統(tǒng)待機(jī)時(shí)電池的絕大部分能量被LDO自己消耗掉了。這類(lèi)場(chǎng)景我一般建議注意兩點(diǎn)。首先是優(yōu)先選擇 (I_Q) 在幾百納安到幾微安級(jí)別的超低靜態(tài)電流LDO比如Torex、RICHTEK、TI的部分低功耗系列。其次是確認(rèn)所選LDO在輕載時(shí)的功耗是否與負(fù)載電流匹配——很多LDO在輕載時(shí)雖然 (I_Q) 小但如果分壓電阻取值過(guò)大反饋網(wǎng)絡(luò)的電阻電流也可能拖累輕載效率。datasheet背面注釋里通常會(huì)給出待機(jī)功耗數(shù)據(jù)選型時(shí)看一眼比什么都強(qiáng)。如果是MCU射頻SoC這類(lèi)需要頻繁收發(fā)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)DC-DC加低功耗LDO的組合往往更好地兼顧效率和噪聲。DC-DC在重載時(shí)效率高待機(jī)時(shí)可以進(jìn)入輕載省電模式LDO則用來(lái)保證射頻供電的純凈度。這種組合方案在電池供電的端側(cè)AI視覺(jué)模塊上尤其常見(jiàn)。5.6 熱關(guān)斷后的二次損傷反復(fù)過(guò)熱不是自動(dòng)恢復(fù)就完了有些工程師覺(jué)得芯片有過(guò)溫保護(hù)燙到保護(hù)頂多停機(jī)冷下來(lái)再啟動(dòng)就行了。這個(gè)想法在開(kāi)發(fā)階段可能蒙混過(guò)關(guān)但在產(chǎn)品生命周期里是隱患。每次過(guò)溫關(guān)斷芯片內(nèi)部結(jié)溫大幅度波動(dòng)焊點(diǎn)承受熱應(yīng)力長(zhǎng)期下來(lái)封裝焊盤(pán)和PCB焊盤(pán)之間容易產(chǎn)生裂紋出現(xiàn)間歇性接觸不良。而且很多LDO過(guò)溫保護(hù)有滯回區(qū)間熱關(guān)斷一次之后恢復(fù)點(diǎn)溫度低于關(guān)斷點(diǎn)如果系統(tǒng)負(fù)載還掛著LDO會(huì)反復(fù)開(kāi)關(guān)短時(shí)間內(nèi)多次應(yīng)力循環(huán)比一次性過(guò)熱更傷芯片。所以我的排查優(yōu)先級(jí)是先解決熱問(wèn)題不要把希望寄托在保護(hù)功能上。熱關(guān)斷是最后一道防線不是讓你隨便踩的。最后做設(shè)計(jì)時(shí)遇到LDO發(fā)熱可以按這個(gè)順序排查測(cè)量實(shí)際輸入輸出電壓、電流算實(shí)際功耗 → 查找datasheet熱阻參數(shù)結(jié)合殼體環(huán)境溫度計(jì)算結(jié)溫 → 檢查PCB散熱條件散熱焊盤(pán)、銅箔面積、過(guò)孔→ 評(píng)估是否需要換封裝或換方案DC-DC、改變系統(tǒng)電壓分配。這幾步走完99%的LDO發(fā)熱問(wèn)題都能找到明確原因并解決。我這幾年的項(xiàng)目里真正需要通過(guò)加散熱器來(lái)硬扛的LDO場(chǎng)景其實(shí)很少大部分發(fā)熱問(wèn)題在選型和布局階段就應(yīng)該被消滅掉。