[分享] 工业环境中LDO的热保护设计

图1 自动化工厂依赖于来自多个模拟传感器的精确数据。（来源：TI博客：“如何确保自动化过程中的精确性”）

典型的数据采集系统由连接到传感器的精密模拟前端组成，接着是模数转换器，该转换器通过有线或无线连接将信息发送到网关，然后发送到云数据端。

开关调节器与线性调节器-简单概述

图2 线性调节器在负载电流变化时保持恒定电压VOUT。PNP通过晶体管消耗多余的功率作为热量。

（TI：“自动化工业系统的线性功率”）

线性调节器（图2）具有非常低的输出纹波和噪声，因为它不使用任何开关元件。相反，它的功率晶体管连续工作。期望输出电压与实际输出电压之间的任何差值表示为误差信号。功率晶体管控制电路使用误差信号来调整功率晶体管，并使输出电压更接近期望值。反馈环路本质上是模拟的，因此线性调节器立即响应负载变化。

线性设计只能将较高的输入电压VIN转换为较低的输出电压VOUT。代表输入和输出之间的差别(VIN_VOUT)的电压出现在功率晶体管的两端；对于电流IOUT，功率晶体管因此将浪费的功率作为热耗散：

Pd＝（Vin -Vout）×Iout +（Vin×IGNEN）

（VIN x IGNEN）表示由设备的控制电路消耗的功率。随着（VIN_VOUT）的增加，线性稳压器耗散更多的功率，并且电源的效率逐渐降低。因此，VIN和VOUT之间的差异应尽可能低。

线性稳压器的输入电压必须高于期望的输出电压一定值，即跌落电压VDO，以维持稳压。如果输入低于最小值，输出电压开始下降。VDO的值随输入电压、输出电流和结温度而变化，但是低漏极(LDO)调节器的漏极电压可以低到十分之几伏特。LDO的关键参数包括漏失电压、输出电压、输出电流、输入电压范围、封装类型、封装尺寸、诸如启用或软启动的控制特性、功耗能力和噪声性能。

这里说明一下，TI公司为工业、消费、通信和汽车应用提供超过500个LDO调节器。感兴趣的朋友可以登陆TI官网了解。


LDO热性能与封装

由于LDO作为热耗散过多的功率，其热性能是设计者非常感兴趣的。主要关注两个方面：确保零件不会太热；如果温度超过安全阈值则保护它。让我们仔细看看这两个话题。

为什么我们要关注LDO的温度？虽然低温会导致问题，但在电力设备中，我们主要关注高温。

事实上，在足够高的温度(掺杂硅大约290℃)下，半导体作用停止，n区和p区之间的电差异消失，p-n结不再控制载流子。然而，在那之前很久，由过热引起的热过应力使封装熔化，使集成电路翘曲和破裂。

也有一些微妙的影响。许多操作参数是温度依赖性的。在高温下，设备仍然可以操作，但是不再保证符合数据表规范。

LDO数据表列出了几个高温极限，以及超过它们的可能后果。请参阅数据表以了解具体情况。






TJ= Ta+（Pd xR Th JA）

其中RθJA是器件从结到周围环境的热阻，表示为每瓦摄氏度。这个参数在数据表中声明，如图3所示。它规定了每瓦电力消耗的温度上升，并且是设备封装的热性能的度量。您应该小心，不要仅仅依靠RθJA来估计应用程序中设备的温度，因为实际值还取决于PCB设计、布局和其他因素。








许多LDO有各种各样的软件包。除非你的设计受到严格的空间限制，否则你可以选择一个更大，更热效率的软件包。选择合适的包装会有很大的不同。例如，TPS732 250-mA LDO有三种封装类型：8针SON(3.00×3.00mm)、6针SOT-223(6.50×3.50mm)和5针SOT-23(2.90×1.60mm)。

这些封装的R Th JA值分别为58.3、53.1和205.9°C/W。为什么巨大的变化？SON和SOT-223是比较大的功率封装，带有暴露的铜焊盘；这些焊盘焊接到PCB接地平面，并且提供热效率高的管道来去除热量。SOT-23封装缺少热垫；它的尺寸也是最小的，因此它具有最小的表面积来通过辐射和对流去除热量。

我们可以执行快速计算来说明TPS732中的包之间的差异。假设VIN＝5.5 V，VOUT＝3 V，IOUT＝250毫安。接地电流Igroun随温度、VIN和IOUT而变化，在最高推荐工作温度125°C时，约为0.72mA。

使用上面的等式给出：

Pd＝（5.5～3）×0.25＋（5.5×0.00072）＝0.63 W

对于环境温度，TA，25°C，让我们比较TJ的三个包：

TJ（SON）＝25°C+（58.3°C/W×0.63 W）＝61.73°C

TJ（SOT223）＝25°C+（53.1°C/W×0.63 W）＝58.45°C

TJ（SOT23）＝25°C+（205.9°C/W×0.63 W）＝154.72°C

前两种封装的结合温度完全在推荐工作温度范围内，但TJ(SOT23)大大超过最高温度。事实上，它是危险的接近温度（160°C），激活TPS732的热保护电路。


热保护电路是LDO的标准特性：当激活时，它禁用输出，保护LDO免受过热损坏，并让它冷却。对于TPS732，当TJ冷却到140°C左右时，热保护电路关闭，并且TPS732恢复向负载提供电流。

如果条件不改变，部分将再次加热，并最终重新激活热保护。LDO将继续以某种频率振荡，该频率是热保护滞后、功耗和其他变量的函数。诸如上面这样的计算是LDO设计的标准部分，通常将强制切换到热效率更高的封装。

设计师可以采取什么其他措施来降低温度上升并避免热关机？降低LDO和PCB之间的热阻是另一个合理的策略。如果LDO有一个热垫，它应该焊接到地平面或连接到散热器。大部分热量通过引脚离开LDO，因此增加输入、输出和接地平面的尺寸也会降低热阻。大多数TI的LDO数据表包含了详细的热分析和布局建议。

最后，您可以通过添加一个与LDO输入串联的功率电阻器RP来降低PD的值。电阻器降低了LDO输入管脚处的输入电压，因此降低了必须在功率晶体管上耗散的功率。对于输入电流IIN，在LDO输入引脚处看到的电压降低（VIN -IIN×RP）。

两个注意事项：

电阻器必须能够耗散由最坏情况电流产生的功率PRP（PRP= IIN（max）2×RP）。
当IIN(max)流过RP时，跨RP的电压降必须使LDO输入高于调节所需的最小值：即VIN>VOUT+VDO。


当一切出错时：过载保护电路

上面讨论的设计技术是必要的，但不充分。正如我们在前一节中看到的，LDO的温度取决于PD，而PD又严重依赖于提供给负载的当前IOUT。如果负载需要比LDO设计成提供的电流更多的电流，或者在诸如短路负载的异常状况期间，LDO还包含内部电路，以将电流限制到预定值并防止灾难。

图4 当负载电流超过极限值时，LDO“brick-wall”电流限制关闭LDO输出。
（TI博客：“LDO基础：当前限制，”图1）