LDO過(guò)熱是怎么回事？無(wú)法「降溫」又該怎么辦？

很多電子設(shè)計(jì)都要求系統(tǒng)的不同部分具有多個(gè)電壓軌。例如, 系統(tǒng)中可能含有由低壓電子設(shè)備控制的高壓電機(jī)。在此類(lèi)系統(tǒng)中, 最便捷的方法是使用所需的最高電壓為整個(gè)系統(tǒng)供電, 然后將該電壓降低到控制電子設(shè)備的低壓電軌。

很多人在設(shè)計(jì)此類(lèi)系統(tǒng)時(shí)所用的首選器件是線性穩(wěn)壓器。線性穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)概念很簡(jiǎn)單, 通常能無(wú)差錯(cuò)地完成任務(wù)。但是, 在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中往往不是這么回事——在概念上講得通, 在原型設(shè)計(jì)工作臺(tái)上也能實(shí)現(xiàn), 但并不代表在實(shí)際操作中一定能行得通。

Digi-Key常常收到購(gòu)買(mǎi)Digi-Key線性穩(wěn)壓器的客戶(hù)投訴, 他們稱(chēng)自己“收到了壞的線性穩(wěn)壓器”。癥狀包括：線性穩(wěn)壓器關(guān)閉（無(wú)輸出電壓）, 或者線性穩(wěn)壓器在某些情況下居然出現(xiàn)過(guò)熱和停機(jī)現(xiàn)象。

線性穩(wěn)壓器出現(xiàn)的大多數(shù)問(wèn)題，都是因客戶(hù)不了解線性穩(wěn)壓器的工作方式而造成的。如猛降功率產(chǎn)生的熱量超出線性穩(wěn)壓器所能消散的熱量, 從而導(dǎo)致過(guò)熱。即使使用大型散熱器, 如果輸出電流接近其指定范圍的上限并且輸入和輸出電壓之間的差值太大, 線性穩(wěn)壓器也可能會(huì)過(guò)熱。

例如, 如果所需的輸出電壓和電流分別為5V和1A, 并且可用電源電壓為24V, 則可以采用問(wèn)世已久的78xx系列的穩(wěn)壓器, 例如MC7805BTG就足以滿(mǎn)足要求。畢竟, 根據(jù)該穩(wěn)壓器的規(guī)格, 它可以處理最高35V的輸入電壓, 并且能夠在穩(wěn)定狀態(tài)下以最高1A的電流輸出規(guī)定的5V電壓。

問(wèn)題在于, 只要器件未超過(guò)最高內(nèi)部核心溫度 (通常稱(chēng)為“最高工作結(jié)溫”),一般都能滿(mǎn)足一些應(yīng)用規(guī)格的要求。除非對(duì)穩(wěn)壓器主體施加高級(jí)別的冷卻（考慮制冷和液體冷卻）, 否則通常不可能同時(shí)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓器的所有最高規(guī)格。要使穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)生效, 必須滿(mǎn)足以下任一要求：

• 降低負(fù)載電流

• 減小輸入和輸出之間的電壓差

• 增加散熱

• 綜合使用上述幾種方法

由于負(fù)載電流和電壓要求通常是固定不變的, 因此在這方面能采取的措施非常有限。有時(shí)可以降低輸入電壓, 但此舉對(duì)內(nèi)部功耗造成的影響最大。最后, 可以添加更大的散熱器, 或者可以利用風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng), 以便更高效地為封裝散熱。

要確定特定應(yīng)用所需的散熱量, 必須考慮穩(wěn)壓器的最高內(nèi)部核心溫度, 即終端設(shè)備運(yùn)行時(shí)電路板周?chē)念A(yù)期最高空氣溫度(稱(chēng)為“最高環(huán)境溫度”), 以及內(nèi)部核心和環(huán)境空氣之間的界面的熱阻。

熱阻以℃/W表示, 器件封裝和任何應(yīng)用的散熱器都具有熱阻特性。例如, MC7805BTG常用的TO-220外殼的熱阻約為5°C /W并且最高結(jié)溫為150°C。典型的TO-220散熱器具有約15°C /W的熱阻。這種組合在內(nèi)部核心和環(huán)境空氣之間存在20°C /W的組合熱阻。

摘自MC7805規(guī)格書(shū)：

使用先前描述的示例, 可以通過(guò)查找系統(tǒng)的輸入功率和輸出功率之間的差值來(lái)計(jì)算線性穩(wěn)壓器消耗的近似功率水平。請(qǐng)注意, 對(duì)于線性穩(wěn)壓器, 輸入電流幾乎與輸出電流相同（輸入電流實(shí)際上略高, 但就本次討論而言, 這可以忽略不計(jì)）。

• 輸入功率：P（in）= V（in）x I（in）= 24V x 1A = 24W

• 輸出功率：P（out）= V（out）x I（out）= 5V x 1A = 5W

• 穩(wěn)壓器功耗：P（reg）= P（in）- P（out）= 24W - 5W = 19W

那么, 核心溫度在上述條件下會(huì)升至多高？

• 核心結(jié)溫 =（外殼熱阻 + 散熱器熱阻）x 內(nèi)部功耗 =（5°C /W + 15°C /W）x 19W = 高于環(huán)境溫度380 °C

溫度太高了！即使采用熱阻為5°C/W的真正高效的散熱器, 核心結(jié)溫也會(huì)比環(huán)境溫度高190°C。如果環(huán)境空氣溫度為25°C, 則核心溫度為215°C, 這遠(yuǎn)高于穩(wěn)壓器的150°C上限。

問(wèn)題的關(guān)鍵是線性穩(wěn)壓器并非萬(wàn)能組件。用戶(hù)不僅應(yīng)考慮系統(tǒng)的電壓和電流要求, 還應(yīng)考慮穩(wěn)壓器的功率容量要求。隨著穩(wěn)壓器功耗要求的提高, 可能需要改善散熱和/或降低輸入至輸出的電壓差, 以防止核心結(jié)溫在所有預(yù)期負(fù)載和環(huán)境溫度條件下超過(guò)規(guī)定的最高溫度。

如上所述, 可能存在線性穩(wěn)壓器確實(shí)不能滿(mǎn)足系統(tǒng)要求并且需要考慮替代方案的情況。最有用的替代方案之一是采用特定封裝形式的開(kāi)關(guān)型DC-DC轉(zhuǎn)換器, 旨在與典型線性穩(wěn)壓器的TO-220封裝類(lèi)型相同。Digi-Key將這些轉(zhuǎn)換器稱(chēng)為“ 線性穩(wěn)壓器替代品 ”的DC-DC轉(zhuǎn)換器。

這些器件可使用與典型的78xx型線性穩(wěn)壓器相同的封裝, 并且通常不需要進(jìn)行任何散熱。它們比線性穩(wěn)壓器更高效（效率通常為80％或更高）, 因?yàn)樗鼈儾粌H可以產(chǎn)生更少的熱量, 而且可以在電池供電型應(yīng)用中顯著延長(zhǎng)電池壽命。

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