關(guān)于高壓線性穩(wěn)壓器的功耗與發(fā)熱探討

10 月 20 日上午，立锜科技和大聯(lián)大詮鼎集團(tuán)合作在網(wǎng)上進(jìn)行了一場研討會，會議主題是關(guān)于快充技術(shù)和相關(guān)應(yīng)用的，我們的公眾號也對此進(jìn)行了提前預(yù)告，不知道你參與了沒有？

這次研討會的主講者是我給大家介紹過的 Roland，他是立锜科技駐歐洲地區(qū)的 FAE 主管，是一位經(jīng)驗(yàn)豐富又有分享熱情的技術(shù)高手，中文說得特別好，每次出場都是干貨滿滿，常常能給觀眾或是讀者留下很深的印象，我在翻譯他的文章過程中也是收獲良多，這個(gè)過程甚至讓我養(yǎng)成了一個(gè)習(xí)慣，遇到感興趣的英文內(nèi)容常常就直接做翻譯，確保自己能夠準(zhǔn)確理解作者的意思，因?yàn)樯钊氲乃伎汲３硪恍┮馔獾氖斋@，不是吃快餐的方式能夠直接替代的，而翻譯過程就有這樣的效果。這次會議的參加者有很多，甚至在大聯(lián)大主辦過的會議中是創(chuàng)了紀(jì)錄的，可惜我錯(cuò)過了第一時(shí)間觀看的機(jī)會，只能另外抽時(shí)間補(bǔ)看了，因?yàn)闀h內(nèi)容是可以在網(wǎng)上回看的。

我在這場會議的答問記錄中發(fā)現(xiàn)觀眾提問多達(dá) 325 條，現(xiàn)場得到回復(fù)的有 218 個(gè)，沒來得及回答的剩余部分則會在會后再予以回復(fù)，所以我覺得協(xié)助會議進(jìn)行的同事們也很辛苦，沒有他們還真的是不行。我雖還沒有觀看演講內(nèi)容，但這些答問信息也給了我耳目一新之感，過去所知的規(guī)范內(nèi)容已經(jīng)有了許多更新，立锜的產(chǎn)品開發(fā)也到了全新階段，滿足新需求的產(chǎn)品已經(jīng)或正在陸續(xù)到來，不追蹤可能還真是不行，因?yàn)橥饷嬉呀?jīng)變天了，我不能拿著老皇歷看新時(shí)代。

雖然世界的表現(xiàn)形式一直在變化，基本的物理規(guī)律卻是不會隨著人的意志而發(fā)生變化的，這是我們技術(shù)工作者的幸運(yùn)之處，因?yàn)橹灰阕プ×烁?，外觀的表現(xiàn)變化再大也是能被你所理解并掌握的。前段時(shí)間寫了一篇反映高壓線性穩(wěn)壓器局限性的文章，里面提到在將 60V 的高壓加到 RT9072 的輸入端以得到 3.3V 輸出時(shí)，如果負(fù)載電流為持續(xù)的 20mA，RT9072 就會熱到受不了，必須先用 Buck 轉(zhuǎn)換器將高壓轉(zhuǎn)換為低壓再后接線性穩(wěn)壓器，發(fā)熱問題才能得到解決。

然后我又另外舉了一個(gè)例子，假如同樣環(huán)境下的 RT9072 的負(fù)載是脈沖負(fù)載，僅僅會在每一秒鐘的很短時(shí)間里會有 20mA 的負(fù)載，這時(shí)候的 RT9072 就能承擔(dān)了。因?yàn)檫@樣的表達(dá)方式，有讀者留言問這是否意味著 RT9072 的 20mA 只能偶爾出現(xiàn)、不能持續(xù)出現(xiàn)，我的回答是這樣的理解是不完整的，現(xiàn)在就再把這個(gè)問題拿來聊一下。

我們先來看公式：

這是用來計(jì)算上面所說滿載條件下的 RT9072 所承載的功耗的計(jì)算公式，計(jì)算結(jié)果的單位為 W。因?yàn)?1.134W 的功耗超過了 RT9072 的封裝所能夠承載的最大功耗 0.45W，所以 RT9072 是不能在這一條件下工作的?，F(xiàn)在我們就以 0.45W 的最大功耗作為限制指標(biāo)，在輸出電壓、負(fù)載電流不變的情況下，看看輸入電壓的可用范圍是什么。根據(jù)這一訴求，我們可以列出如下不等式：

經(jīng)過簡單的變換就可以得到如下結(jié)果：

這個(gè)意思就是說，在輸出電壓等于 3.3V、負(fù)載電流等于 20mA 的情況下，只要輸入電壓低于 25.8V，RT9702 就能承受這個(gè)工作條件，它就能在這樣的條件下工作。同樣的，假如保持負(fù)載電流不變，同時(shí)選定一個(gè)高于 25.8V 的輸入電壓，你也可以得到一個(gè) RT9702 可以承受的穩(wěn)定輸出電壓，但這個(gè)數(shù)據(jù)就不會是 3.3V 了，它必須是高于 3.3V 的另外一個(gè)數(shù)據(jù)，這個(gè)結(jié)論也是根據(jù)上述的計(jì)算公式變換得來的。如果我們再進(jìn)一步在上面的數(shù)據(jù)上下功夫，還可以發(fā)現(xiàn)我們可以對 0.45W 的最大功耗做點(diǎn)動作，因?yàn)樗彩且粋€(gè)可變的東西。實(shí)際上， 0.45W 是 RT9072 所采用的 SOT-23-5 封裝的最大耗散功率，其定義在規(guī)格書里有給出來：

這個(gè)公式的右邊有三個(gè)物理量，TJ（MAX） 是容許的最高結(jié)溫，TA 是環(huán)境溫度，θJA 是從 RT9072 的內(nèi)核到周圍環(huán)境之間的熱阻。RT9072 最主要的發(fā)熱部位是其調(diào)整管的溝道，其溫度用 TJ 表示。TJ（MAX） 是 IC 在工作過程中容許出現(xiàn)的最高溫度，其值為 125℃，IC 在這個(gè)溫度下的性能指標(biāo)是能得到保證的，超過以后就不好說了。為了確保 IC 不會被高溫?fù)p壞，它的內(nèi)部會有一個(gè)測溫電路，當(dāng)其發(fā)現(xiàn) TJ 超過 150℃ 時(shí)會發(fā)起過熱保護(hù)，實(shí)際上就是將其輸出完全關(guān)掉，退出了正常輸出的狀態(tài)，此后已經(jīng)形成的熱量還會繼續(xù)通過所有的渠道向周圍環(huán)境釋放，等到 TJ 回落 20℃ 以后又會重新嘗試著啟動輸出。

熱阻對熱的傳播的意義與電阻對電荷的移動的阻礙作用類似，如果熱阻越小，熱量的傳導(dǎo)就越容易，相同功率的發(fā)熱量所帶來的溫升就越小。采用 SOT-23-5 封裝的 RT9072 在被焊接到符合 JEDEC 51-7 標(biāo)準(zhǔn)所定義的四層 PCB 板上時(shí)，IC 內(nèi)核到周圍環(huán)境之間的熱阻是 218.1℃/W，而這里所謂的周圍環(huán)境是指 25℃ 的穩(wěn)定空氣，如果你能將所用 PCB 的散熱能力做得比 JEDEC 51-7 標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的更好，最簡單的做法就是加大焊盤面積、增加熱傳導(dǎo)孔等等，你甚至還可以給它裝上散熱片，使用散熱風(fēng)機(jī)等等，這樣就可以把熱阻減小，RT9072 的功率耗散能力就會進(jìn)一步增加，反之則就會下降。

上圖是 RT9072 規(guī)格書里給出來的降額使用曲線，即當(dāng)環(huán)境溫度高于 25℃ 時(shí)，處于標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境之下的最大功率耗散能力就會相應(yīng)降低，設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)時(shí)就必須考慮到這一點(diǎn)，避免出現(xiàn)應(yīng)用中的過熱現(xiàn)象。相反的，如果你能將環(huán)境溫度降下去，RT9072 的功率耗散能力就能提高，過熱現(xiàn)象也就不容易出現(xiàn)了。討論過了負(fù)載連續(xù)情況下的發(fā)熱問題，讓我們再來審視一下非連續(xù)負(fù)載的情況。我們說過的 RT9072 負(fù)載不連續(xù)的工作參數(shù)是這樣的：輸入電壓為 60V，輸出電壓為 3.3V，負(fù)載電流以 1s 為周期進(jìn)行變化，其中只有 10ms 的負(fù)載是 20mA，另外的 990ms 都是 0.1mA，則落在 RT9072 上的平均功耗為

即 0.0169533W，這個(gè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)小于 0.45W，所以 RT9072 就可以在這樣的脈動負(fù)載下工作?，F(xiàn)在我們嘗試著將負(fù)載電流的變化周期進(jìn)行一下修改，例如將 1s 改變成 100s 或 1000s 甚至更多，但是脈沖負(fù)載出現(xiàn)的時(shí)間占比依然不變，則平均功耗的計(jì)算公式之計(jì)算結(jié)果就不會發(fā)生任何變化，請問 RT9072 的工作狀態(tài)又會不會有任何變化呢？這個(gè)問題就不再這里繼續(xù)聊了，僅供有興趣者思之。

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