引言

在汽車(chē)行業(yè)中，車(chē)規(guī)級(jí)電池供電設(shè)備（如車(chē)載通信終端、信息娛樂(lè)系統(tǒng)及車(chē)載筆記本電腦等）對(duì)小型封裝線性穩(wěn)壓器產(chǎn)生了強(qiáng)勁需求。這類(lèi)設(shè)備需在復(fù)雜的車(chē)載電源環(huán)境下穩(wěn)定工作，而線性穩(wěn)壓器憑借其低噪聲、高精度的穩(wěn)壓特性，能夠有效濾除車(chē)載電源中的紋波與干擾，為車(chē)規(guī)級(jí)設(shè)備提供可靠供電。

盡管低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）具備成本低、電源質(zhì)量高的優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也會(huì)帶來(lái)功耗與發(fā)熱問(wèn)題。在高輸入輸出壓差、大負(fù)載的應(yīng)用場(chǎng)景中，該問(wèn)題會(huì)進(jìn)一步加劇，進(jìn)而影響 LDO 的工作穩(wěn)定性與使用壽命。因此，合理的評(píng)估LDO的熱性能至關(guān)重要。

散熱

與其他功率器件類(lèi)似，LDO（低壓差線性穩(wěn)壓器）通過(guò)對(duì)流方式散發(fā)芯片內(nèi)部產(chǎn)生的熱量，散熱速率由系統(tǒng)固有的熱阻決定。通常情況下，對(duì)流散熱主要取決于結(jié)到環(huán)境的熱阻（RθJA）。

除對(duì)流外，LDO 還會(huì)通過(guò)傳導(dǎo)散熱，熱量主要經(jīng)封裝與電路板直接接觸的部分導(dǎo)出。一般會(huì)采用散熱器、強(qiáng)制風(fēng)冷等方式降低 RθJA，但這類(lèi)方案不可避免地會(huì)增加系統(tǒng)體積與成本。

除加裝額外散熱器或強(qiáng)化空氣對(duì)流來(lái)改善散熱外，還可通過(guò)優(yōu)化 PCB 布局、提升熱界面設(shè)計(jì)來(lái)增強(qiáng)熱性能，這能顯著提高傳導(dǎo)散熱效率。

LDO功耗

LDO（低壓差線性穩(wěn)壓器）的功耗計(jì)算可采用簡(jiǎn)潔的解析方法。為 LDO 提供的輸入電流（Iin）會(huì)流經(jīng)兩條不同支路：一條通過(guò)調(diào)整管流向輸出端（Iout），另一條則通過(guò)內(nèi)部偏置電路流向地（Ignd），如圖 1 所示。

圖 1 ：LDO 功耗

根據(jù)能量守恒原理，總輸入功率必須等于總輸出功率。因此，LDO 的輸入功率等于輸出到負(fù)載的功率與穩(wěn)壓器自身耗散功率之和。由此，LDO 的功耗可表示為：

Ploss= Pin?Pout= Vin×（Iout+Ignd）?Vout×Iout(1)

以NEX90530BPA?Q100（HTSSOP8 封裝、300 mA、40 V 超低靜態(tài)電流低壓差線性穩(wěn)壓器）為例。假設(shè)輸入電壓 Vin=13.5 V，輸出電壓 Vout=5 V (±1.5%)，輸出電流 Iout=300 mA；根據(jù)圖2所示的數(shù)據(jù)手冊(cè)，該工況下靜態(tài)電流 Ignd=1350 μA。那么可以算得功耗為：Ploss= 13.5 V × (300 + 1.35) mA – 5.075 × 300 mA = 2.545725 W.

圖 2 ：NEX90530BPA?Q100 接地電流與輸出電流關(guān)系

利用熱阻估算結(jié)溫

所有安世半導(dǎo)體產(chǎn)品都會(huì)提供每款芯片的詳細(xì)熱阻參數(shù)。熱阻受多種因素影響，例如芯片尺寸、芯片貼裝工藝、封裝形式、PCB 布局以及銅箔厚度等。因此，我們通常依據(jù) JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)仿真方式給出熱阻參數(shù)。

熱阻參數(shù)種類(lèi)較多，其中部分參數(shù)具有明確的物理意義。圖3所示為焊接在 PCB 上的芯片的熱阻網(wǎng)絡(luò)。其中，RθJA、RθJB和 RθJC是應(yīng)用最廣泛的參數(shù)，可幫助工程師進(jìn)行熱設(shè)計(jì)與熱管理。

圖 3 ：芯片焊接在 PCB 上的熱阻網(wǎng)絡(luò)

由圖 3 可見(jiàn)，熱量從芯片結(jié)區(qū)散發(fā)至封裝外殼，芯片裸片與上外殼之間的熱阻為 RθJC。同時(shí)，熱量也可通過(guò)引線框架、芯片貼裝層及焊膏從裸片向下傳導(dǎo)至 PCB，RθJB表示裸片與 PCB 之間的熱阻。

此外，熱量會(huì)通過(guò)多條不同路徑從芯片結(jié)區(qū)傳遞到空氣中，RθJA是綜合所有散熱路徑的等效熱阻，包括通過(guò)封裝的對(duì)流散熱、通過(guò) PCB 的傳導(dǎo)散熱以及外露表面的輻射散熱。

如上所述，熱阻與 PCB 高度相關(guān)。因此，直接使用數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的熱阻計(jì)算溫升可能存在誤差，因?yàn)槭謨?cè)中的熱阻是基于JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)仿真板得到的，與實(shí)際應(yīng)用的系統(tǒng)板存在較大差異。實(shí)際上，這些熱阻主要用于對(duì)比評(píng)估不同器件的熱性能，而非直接用于計(jì)算實(shí)際溫升。

在實(shí)際應(yīng)用中，通常會(huì)逐工況實(shí)測(cè)熱阻 RθJA，通過(guò)芯片的溫差與功耗之比計(jì)算得出，公式如下：

RθJA(℃/W) =?TPloss(2)

繼續(xù)以 NEX90530BPA-Q100 為例，如圖 4 所示，我們將演示如何基于本演示板計(jì)算 RθJA。該評(píng)估板（EVM）采用雙層設(shè)計(jì)（60 mm × 40 mm），銅箔厚度為 2oz，總散熱面積約 3900 mm2；芯片下方頂層的散熱焊盤(pán)通過(guò) 5 個(gè)過(guò)孔與底層相連，以提升導(dǎo)熱效率。

圖 4 ：NEVB-NEX90530BPA-Q100 演示板

首先，通過(guò)增大電壓差或負(fù)載電流來(lái)提高器件的功耗，使其恰好進(jìn)入熱關(guān)斷保護(hù)狀態(tài)。此時(shí)可認(rèn)為芯片結(jié)溫達(dá)到 175 °C。

此時(shí)，結(jié)溫和環(huán)境溫度的溫差等于 175°C 減去室溫（通常取 25°C），功耗Ploss可通過(guò)公式 (1) 計(jì)算得出。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，當(dāng)輸入電壓 Vin=17.6 V、輸出電壓 Vout=5 V、負(fù)載電流 300 mA 時(shí)，NEX90530BPA-Q100 觸發(fā)熱關(guān)斷保護(hù)，此時(shí)功耗 Ploss=3.80376 W。利用公式 (2) 可計(jì)算得到熱阻RθJA，其中?T=175 °C–25 °C=150 °C，因此RθJA=39.43 °C/W。為驗(yàn)證該結(jié)果，使用T3ster 熱阻測(cè)試儀按照J(rèn)EDEC標(biāo)準(zhǔn)重新測(cè)試，得到熱阻 RθJA=38.9 °C/W，與實(shí)測(cè)結(jié)果接近。隨后可利用該 RθJA估算芯片在不同溫度下的帶載能力。例如，若要評(píng)估環(huán)境溫度 TA=125 °C 時(shí) NEX90530BPA-Q100 可承受的負(fù)載大小，可設(shè)定結(jié)溫 TJ=150 °C（數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出的最高工作結(jié)溫），通過(guò)下式計(jì)算得到最大允許功耗為 0.634 W。當(dāng)輸入電壓 Vin=13.5 V、環(huán)境溫度 TA=125 °C 時(shí)，最大輸出電流 IOUT_MAX≈ 74.5 mA。

Ploss=?TRθJA(3)

然而，在某些情況下，熱阻并非用于計(jì)算散熱的最佳參數(shù)，因?yàn)闊嶙璧亩x為溫差除以對(duì)應(yīng)支路的功耗。如圖 5 所示，熱阻模型可等效為包含熱源與熱阻的等效電路。

圖 5 ：散熱等效電路模型

為更好地評(píng)估熱性能，采用熱特性參數(shù) ΨJT（亦記作 Psi-JT）來(lái)量化器件結(jié)溫與封裝上表面中心溫度的溫差和器件總功耗之間的比值，表達(dá)式如下：

ψJT(℃/W) =TJ?TCPloss(4)

我們可以利用 ΨJT計(jì)算殼溫，也可以通過(guò) ΨJT與殼溫來(lái)評(píng)估結(jié)溫TJ。仍以 NEX90530BPA-Q100 為例，假設(shè)環(huán)境溫度 TA=25 °C，輸入電壓 Vin=13.5 V，輸出電壓 Vout=5 V，輸出電流 Iout=300 mA，通過(guò)公式 (1) 可計(jì)算得出功耗 Ploss=2.545725 W。然后根據(jù)公式 (2)，結(jié)溫 TJ與環(huán)境溫度 TA的溫差為 100.37 °C，即 TJ=125.37 °C。再利用仿真得到的 ΨJT=5 °C/W，可計(jì)算得出殼溫 TC=112.64 °C。如圖 6 所示，實(shí)測(cè)結(jié)果表明計(jì)算值與測(cè)試結(jié)果非常接近。

圖 6 ：NEVB-NEX90530BPA-Q100 演示板熱性能測(cè)試結(jié)果

我們也可以通過(guò)殼溫 TC計(jì)算結(jié)溫 TJ。在相同條件下，若測(cè)得殼溫 TC為 113°C，并計(jì)算得出功耗 Ploss= 2.545725 W，可通過(guò)公式 (4) 得到結(jié)溫 TJ，即 TJ= ΨJT× Ploss+ TC= 125.72 °C。

總結(jié)

在電路設(shè)計(jì)初期，可使用 RθJA和 RθJC估算芯片結(jié)溫，為對(duì)比不同器件的熱性能提供指導(dǎo)。在實(shí)際應(yīng)用中，若要精確評(píng)估結(jié)溫，則需要基于實(shí)際 PCB 測(cè)量并計(jì)算熱阻：RθJA通常用于計(jì)算帶載能力，ΨJT則常用于評(píng)估芯片殼溫，或通過(guò)殼溫計(jì)算結(jié)溫。

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Nexperia (安世半導(dǎo)體)

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