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?？墒莿e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)焊盤傳到PCB的效率。對(duì)底部有散熱焊盤的封裝這個(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40~601.25~1.88 WTO-252DPAK30~501.5~2.5 WDFN-6底部大焊盤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 散熱焊盤不接地等于白選很多現(xiàn)代LDO采用帶有**外露散熱焊盤exposed pad**的封裝比如SOP-8-PP、DFN、QFN。這個(gè)焊盤是芯片內(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)部的熱量傳到焊盤后無(wú)處擴(kuò)散散熱焊盤形同虛設(shè)。正確做法是散熱焊盤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)焊盤周圍銅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。孔徑0.3mm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?。有些PCB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。可見(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)境溫度一定要按最惡劣工況下的殼體內(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。現(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)封裝焊盤和PCB焊盤之間容易產(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、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?？墒莿e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)焊盤傳到PCB的效率。對(duì)底部有散熱焊盤的封裝這個(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40~601.25~1.88 WTO-252DPAK30~501.5~2.5 WDFN-6底部大焊盤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 散熱焊盤不接地等于白選很多現(xiàn)代LDO采用帶有**外露散熱焊盤exposed pad**的封裝比如SOP-8-PP、DFN、QFN。這個(gè)焊盤是芯片內(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)部的熱量傳到焊盤后無(wú)處擴(kuò)散散熱焊盤形同虛設(shè)。正確做法是散熱焊盤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)焊盤周圍銅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。孔徑0.3mm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?。有些PCB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。可見(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)境溫度一定要按最惡劣工況下的殼體內(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。現(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)封裝焊盤和PCB焊盤之間容易產(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、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。