LDO使用之热阻考虑

    在通常的LDO设计中，热阻参数的考虑常常被忽略。但是，该参数对电源系统的影响却是很大的，因为LDO的该参数若是选择不当，就容易造成LDO芯片功耗过大、过热而进入热保护状态，导致电源断电。

    最近在一个系统的电源芯片的选型中（系统输入为3.3V，需要得到1.8V的电压，该1.8V所需最大电流250mA左右），为了减小纹波对系统性能的影响，考虑用LDO来进行电压转换，最初选择了Sipex一个LDO（SP6205EM5-ADJ，SOT-23-5）。

    该芯片的主要参数为：2.7V~5.5V的电压输入范围；500mA电流输出；输出电压可调；具有限流和热保护功能；等。

    咋一看，该电源芯片可满足系统需求，250mA的所需电流用500mA也是余量足够了。但与同事讨论，其说该芯片根本达不到500mA的输出电流，因为其热阻较高。于是，我开始详细的阅读该芯片Datasheet，发现其确实存在该问题。

 

以下讨论都是以该芯片的SOT-23-5封装为例说明。

Thermal Resistance： SOT-23-5（Q_JA）：191 ℃/W

                                           DFN-8（Q_JA）：59 ℃/W

最大功率消耗为：PD(max) = （T_J(max)-T_A）/ θ_JA，其中，T_J为节点温度，T_A为环境温度，θ_JA为热阻。

当芯片超过了最大允许功耗时，节点温度会过高，从而芯片进入热保护模式。

 

SP6205-ADJ（SOT-23-5封装）的最大功耗为：

PD(max) = ( 125℃ – 25℃ ) / (191 ℃/W) = 523 mW

实际工作过程中，芯片功耗为：

PD = ( Vin – Vout)*Iout + Vin * I_GND         （1）

    通常，I_GND为uA级（比如：SP6205在500mA输出时的I_GND=0.35mA），若要求不是特别精确，基本可忽略Vin*I_GND该项的影响。

 

    因此，芯片实际工作时的功耗必须限制在最大允许功耗范围内，超过PD(max)则芯片进入热保护模式。

根据式（1），我们就可以算出以下参数：

（a）在已知输入输出压差的条件下，得出最大输出电流

例如：输入电压5V，输出电压3V，则：

523mW = (5V – 3V)*I(load(max)) + 5V * 0.35mA，

则 I(load(max)) = 260.6mA。

 

（b）在已知负载电流的条件下，得出输入输出允许最大压差

例如：输出电压为3V，负载电流为400mA，则：

523mW = （Vin – 3V）* 400mA + Vin * 0.35mA，

则 Vin(max) = 4.3V，△Vmax=1.3V。

 

    所以，在LDO电源芯片选型的过程中，应该根据实际情况的需求，认真考虑其热阻参数。

    回到本文开头说提到的系统需求，计算得到的实际最大输出电流为：I(load(max)) = 347mA。与芯片500mA的输出电流相比，电流余量大大降低了。而且，该电流最大值是在环境温度25℃理想情况下计算得到的，随着工作时间的推移，芯片的温度会逐渐升高，该输出电流的最大值还会进一步降低。其500mA的输出电流只有在输入输出压差1V以内、室温25℃的情况下才可以得到。

    从以上分析可见，LDO的热阻参数对其它参数（如输出电流、输入输出压差等）是有较大影响的，必须予以考虑。选型时应尽量选择热阻小的芯片或封装，尤其是同一型号芯片的不同封装，其热阻会相差较大，比如以上电源芯片SP6205的DFN-8封装，其热阻就只有59℃/W，较之SOT-23-5封装的191℃/W小了不少。