Thermisches Design mit linearen Spannungsreglern

Voltage regulator tutorial & USB gadget charger circuit (Juli 2019).

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Anonim

Thermisches Design mit linearen Spannungsreglern


Funktioniert Ihr Linearregler unter allen möglichen Betriebsbedingungen? Um das herauszufinden, müssen Sie die Verlustleistung und den thermischen Widerstand verstehen.

zusätzliche Informationen

  • Stromversorgungsschaltungen

Designer Vorsicht

Auf den ersten Blick scheinen lineare Spannungsregler so einfach zu sein. Das Datenblatt des Teils zeigt die maximale Eingangsspannung, den maximalen Ausgangsstrom und die Ausgangsspannung an (wenn der Ausgang fest und nicht variabel ist). Wenn Ihre Konstruktionsanforderungen etwas anspruchsvoller sind, können Sie auch die Genauigkeit der Ausgangsspannung, der Ausfallspannung, des Ausgangsrauschens und des Betriebstemperaturbereichs überprüfen. Wenn alle diese Spezifikationen gut aussehen, können Sie in das Teil fallen und alles wird gut, oder? Nun, die meiste Zeit, ja, alles wird gut, aber es ist auch möglich, dass das Design gründlich versagen wird.

Strom gegen Leistung

Die erste Sache zu verstehen ist, dass der maximale Ausgangsstrom des Teils keine isolierte Spezifikation ist. Der Ausgangsstrom beeinflusst die Verlustleistung und die Verlustleistung beeinflusst die Sperrschichttemperatur. Wenn die Sperrschichttemperatur zu hoch wird, funktioniert das Teil nicht mehr ordnungsgemäß. Dauerhafter Schaden ist eine Möglichkeit, obwohl die meisten (vielleicht alle) modernen linearen Regler einen Wärmeschutzschaltkreis enthalten, der den Ausgangsstrom einfach begrenzt, um die Innentemperatur zu reduzieren. In beiden Fällen wird Ihr Design nicht funktionieren. Schlimmer noch, es kann zu einer seltsamen oder zeitweiligen Fehlfunktion kommen, was zu potenziell hohen Fehlern bei der Fehlersuche führt. Das beste Mittel ist wie immer die Prävention.

Die zwei Temperaturen

Wenn Sie bestätigen, dass eine bestimmte Komponente mit den Temperaturanforderungen eines Systems kompatibel ist, betrachten wir im Allgemeinen den Bereich der Betriebstemperatur, der im Datenblatt des Teils aufgeführt ist. Dies ist für die meisten Situationen ausreichend, aber es ist dennoch ziemlich ungenau. Genau genommen bestimmt die Umgebungstemperatur nicht, ob das Teil richtig funktioniert, genauso wie die Außenlufttemperatur nicht direkt bestimmt, ob Sie sich in Ihrem Haus wohl fühlen. Was wirklich zählt, ist die innere Temperatur, dh die Temperatur, die die Halbleiter erfahren - schließlich sind es die Transistoren, die einen Spannungsregler zur Spannungsregelung machen, nicht das Kunststoffgehäuse. Diese Innentemperatur wird als Sperrschichttemperatur bezeichnet.

Wir können normalerweise nicht mehr als den Umgebungstemperaturbereich betrachten, da die Sperrschichttemperatur oft der Umgebungstemperatur ähnelt. Wenn Sie in einer zugigen Holzhütte wohnen und im Freien über offenem Feuer kochen, wird sich die Temperatur im Inneren der Hütte nicht wesentlich von der Außentemperatur unterscheiden. Dies ist einfach ein thermisches Gleichgewicht bei der Arbeit. Das Gleiche passiert mit vielen elektronischen Komponenten, da viele elektronische Komponenten keine nennenswerte Menge an Energie verbrauchen . Dies ist der kritische Punkt. Sensoren, Datenwandler, Mikrocontroller, Logikgatter und so weiter neigen dazu, mäßige Energiemengen abzuführen, und folglich unterscheidet sich die Sperrschichttemperatur nicht wesentlich von der Umgebungstemperatur. Aber lineare Spannungsregler sind eine andere Geschichte. Stellen Sie sich vor, Sie backen den ganzen Tag Brot in dieser Holzhütte. Das ist mehr oder weniger das, was der Spannungsregler macht, und das Ergebnis ist eine Sperrschichttemperatur, die die Umgebungstemperatur deutlich überschreiten kann. Folglich ist ein Schlüssel zum robusten Linearreglerdesign, sicherzustellen, dass die Sperrschichttemperatur auch unter ungünstigsten Betriebsbedingungen im akzeptablen Bereich bleibt.

Zuerst, Power berechnen

Die zwei Faktoren, die den Unterschied zwischen der Umgebungstemperatur und der Sperrschichttemperatur bestimmen, sind die Verlustleistung und der thermische Widerstand. Zuerst schauen wir uns die Verlustleistung an.

Dieses Diagramm soll Ihnen eine Vorstellung davon geben, welchen thermischen Widerstand Sie von verschiedenen Leiterplattenlayouts erwarten können. Wenn Sie also diesen Regler an Ihre Platine anlöten, ohne zusätzliches Kupfer zur Wärmeableitung zuzuführen, ist der Wärmewiderstand etwa zehnmal zu hoch . Sogar das Layout auf der rechten Seite, das ein großzügiges Kupferpad enthält, ist immer noch viel höher als die 13, 2 ° C / W, die für den schlimmsten Fall benötigt werden. Sie können den Wärmewiderstand weiter reduzieren, indem Sie den Kupferbereich erweitern und zahlreiche Durchkontaktierungen verwenden, um einen thermischen Pfad für andere PCB-Schichten bereitzustellen, aber in diesem Fall werden Sie niemals 13, 2 ° C / W erreichen. Dies liegt daran, dass der thermische Widerstand zwischen Verbindung und Umgebung die Summe des Wärmewiderstandes von Gehäuse zu Umgebung (der von der Anordnung abhängt) und des Wärmewiderstands zwischen Gehäuse und Gehäuse (der nur vom IC-Gehäuse abhängt) und des ADP3338 ist Der Wärmeübergangswiderstand liegt bei 26, 8 ° C / W - doppelt so hoch wie der für diese ungünstigsten Betriebsbedingungen erforderliche thermische Gesamtwiderstand. Das ist natürlich ein extremes Beispiel. In der Praxis stoßen Sie einen Teil nicht so an seine Grenzen. Normalerweise ist der erforderliche Wärmewiderstand erreichbar, aber Sie benötigen möglicherweise weit mehr als die Mindestmenge an Kupfer.

Fazit

Das richtige thermische Design für lineare Regler ist leicht zu übersehen, da in vielen Fällen die Betriebsbedingungen so schlecht sind, dass das Design auch dann funktioniert, wenn der thermische Widerstand niemals in Betracht kommt. Aber der Prozess ist eigentlich ziemlich einfach, und es könnte Ihr Board vor der Schande bewahren, bei hoher Umgebungstemperatur versagen zu müssen. Sie berechnen nur die Verlustleistung im schlimmsten Fall und schätzen dann den thermischen Widerstand so gut wie möglich anhand der Informationen im Datenblatt (oder dem Datenblatt für ein ähnliches Teil) ab. Dann können Sie die höchste Umgebungstemperatur berechnen, bei der die Sperrschichttemperatur des Geräts unter dem angegebenen Maximum liegt.