LDO简介和基本选型要素 LDO热耗定义相关说明

LDO使用中特别需要关注热耗的影响

一、LDO简介

LDO，其实LDO是线性电源的一种，即Low drop out低压降的线性电源，这个dropout是线性电源的一个重要特性，行业内最低好像能实现50mV的压降，即输入3.35V，输出可以做到输出3.3V。

LDO主要特征如下，这些特征使得LDO具有很广泛的应用：

1）输入电流≈输出电流。

2）输出干净，纹波非常小，高频噪声比较低。

3）能够抑制低频段噪声，抑制能力很强。

4）LDO自身消耗的功耗相对较大，其自身功耗≈（输入电压—输出电压）*输入电流，PD≈(VIN-VOUT)*IOUT。

5）LDO一般可用于模拟电路的供电，推荐小于0.5W以下的供电需求使用。

二、LDO基本选型要素

1）输入电压范围VIN；

2）输出电压范围VOUT；

3）输出电流大小IOUT；

4）输入输出压差VDO；

5）静态电流；

6）其他功能如输出使能引脚、软起动引脚、偏置电压引脚等。

除了以上的选型要素，LDO虽然电路非常简单，但是在使用过程中还有蛮多的注意事项，下文提到的热耗就是一个特别重要的LDO设计考虑要素。

三、LDO热耗定义相关说明

1、与热耗相关的一些温度参数

上图是一个LDO器件焊接在PCB上的一个示意图，里面展现了与温度相关的一些参数以及位置说明。

序号	温度参数	具体定义
1	TC	芯片外壳的温度，测量点在芯片封装的顶部中间（一般用于老的封装）
2	TT	芯片外壳的温度（同TC），测量点在芯片封装的顶部中间（一般用于现在的表面贴装器件）。
3	TB	靠近芯片安装位置附近的PCB板表面测量的温度，测量点在芯片四周PCB板表面（1mm间隔）
4	TP	芯片封装底部散热焊盘上的温度（如果暴露在外可测量的话），测量点在芯片底部散热焊盘上
5	TA	芯片所处的环境温度，测量点处于产品内部空气中
6	TJ	芯片结温，测量点处于芯片内部
7	TSTG	芯片存储温度
8	TSD	芯片热关断温度

2、与热耗相关的一些热阻参数，热阻代表单位功耗下，两个不同位置之间的温度差，表征芯片两个位置之间热传导的能力。

序号	热阻参数	具体定义
1	Rθ	Rθ（℃/W）=Temp(℃)/Power（W）
2	RθJA	芯片内部结到芯片环境的热阻
3	RθJC(TOP)	芯片内部结到芯片外壳顶部（中间）的热阻
4	ΨJT	芯片内部结到芯片顶部的特性参数（类热阻）
5	ΨJB	芯片内部结到电路板（1mm处）的特性参数（类热阻）
6	RθJC（bottom）	芯片内部结到芯片外壳底部（散热焊盘）的热阻

3、与热耗相关的结温的不同计算方法，结温是LDO器件内部温度，是我们考虑热耗最终衡量的目标。

序号	计算结温的公式	说明
1	TJ = TT + ΨJT * PD	基于芯片外壳顶部的温度计算
2	TJ = TB + ΨJB * PD	基于芯片附近1mmPCB板表面温度计算
3	TJ = TA + RθJA * PD	基于芯片的环境温度计算
4	TJ = TC + RθJC * PD	基于芯片外壳顶部温度计算（老封装）

四、常用LDO热耗示意说明（选取项目中常用的两个器件，也是本文的动机）

1、LTM4615

4615支持2路4A的DC/DC输出和1路1.5A的LDO输出，这里举例应用如下：

DC/DC通道1：输入5V，输出2.5V，输出电流1.2A；

DC/DC通道2：输入5V，输出1.8V，输出电流1A；

LDO通道：输入3.3V，输出1.5V，输出电流0.4A；

1）计算LTM4615的热耗

对于DC/DC通道来说，其热耗主要跟DC/DC的转换效率有关，参照上表可知，DC/DC通道1的热耗＜0.6W@1.2A，DC/DC通道2的热耗＜0.5W@1A。

对于LDO通道，根据公式PD≈(VIN-VOUT)*IOUT，则热耗PD≈（3.3-1.5）*0.4=0.72W。

则总的热耗≈0.6+0.5+0.72=1.82W。

2）计算LTM4615的温升

对于LTM4615来说，考虑最恶劣情况（无风、无底部散热器），RθJA=15（℃/W），则根据公式TJ = TA + RθJA * PD，其中TA为产品环境温度，一般环境要求高温为70℃（实际产品内部环境温度会更高，eg：80℃），TJ = 80 + 15 * 1.82 = 107.3℃，满足＜120℃的结温要求（一般最高为125℃结温）。

综上：LTM4615使用时，DC/DC-1：输入5V，输出2.5V，输出电流1.2A；

DC/DC-2：输入5V，输出1.8V，输出电流1A；LDO通道：输入3.3V，输出1.5V，输出电流0.4A；满足使用要求。

但是若LD0通道：选择输入3.3V，输出1.5V，输出电流1A时，LDO的热耗PD≈（3.3-1.5）*1=1.8W，总功耗则≈0.6+0.5+1.8=2.9W。TJ = 80 + 15 * 2.9 = 123.5℃，则不满足＜120℃的结温要求，此时虽然该LDO的总输出电流1A＜LDO的额定输出1.5A，但使用时仍存在隐患。因此在使用LDO时一定要关注LDO的热耗,尽可能压降小一点。

2、TPS74401

TPS74401支持1路3A的LDO输出，这里举例应用如下：

LDO通道：输入2.5V，输出1.2V，输出电流1A,选用封装为RGW(QFN)；

1）计算TPS74401的热耗

对于LDO通道，根据公式PD≈(VIN-VOUT)*IOUT，则热耗PD≈（2.5-1.2）*1=1.3W。

2）计算TPS74401的温升

对于TPS74401来说，考虑PCB尺寸为2in2，RθJA=45（℃/W），则根据公式TJ = TA + RθJA * PD，其中TA为产品环境温度，一般环境要求高温为70℃（实际产品内部环境温度会更高，eg：80℃），TJ = 80 + 45 * 1.3= 138.5℃，不满足该器件结温要求，存在高温隐患。

3）验证TPS74401的温升

在板子实际做出来后，可以通过测量TT或者TB，来进一步验证TPS74401的结温，用红外测温仪分别测量74401的封装顶部中间位置的温度TT以及距离74401周边1mm的PCB板的温度TB，分别进行计算结温。

TJ = TT + ΨJT * PD = ？+ 0.5* 1.3

TJ = TB + ΨJB * PD = ？+ 10.5* 1.3

通常来说两种不同的方法测量计算出来的结果会比较匹配，如果不匹配，则可能具体哪个参数出现了变化。且一般ΨJT、ΨJB会比RθJA计算结果更为准确。

五、降低热阻的常见做法

通过上面的分析我们知道，对于LDO来说，其热耗是其非常重要，需要重点关注的一个指标，热耗*热阻等于结温温升，结温温升限制了LDO的使用温度范围。因此除了常见的通过降低LDO的输入输出压降、输出电流控制热耗外，还可以通过降低热阻来进行优化，其具体做法包括：

1）通过PCB布局优化，LDO远离发热器件；

2）通过PCB布线优化，LDO的输入输出端的铜皮尽可能大一点，底部散热焊盘的散热过孔等；

3）通过散热冷板优化，通过散热冷板进行传热以降低RθJA；

4）根据不同热耗需求选择不同封装的LDO。

5）还可以在LDO输入端串接电阻分散热耗，但需要注意电阻选型。