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LDO Thermischer Rechner

Berechnen Sie die Verlustleistung des LDO-Reglers, die Sperrschichttemperatur, den thermischen Spielraum und die minimale Ausfallspannung für die Validierung des thermischen Designs.

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Formel

P_{diss} = (V_{in} - V_{out}) \cdot I_{load},\quad T_J = T_{amb} + \theta_{JA} \cdot P_{diss}

Referenz: Texas Instruments Application Note SLVA061; IEC 60747-6

Pdiss— Power dissipation (W)
Vᵢₙ— Input voltage (V)
Vₒᵤₜ— Output voltage (V)
Iₗₒₐd— Load current (A)
TJ— Junction temperature (°C)
Tₐₘb— Ambient temperature (°C)
θJA— Thermal resistance junction-to-ambient (°C/W)

Wie es funktioniert

LDO-Regler (Low Dropout) sind wichtige Power-Management-Komponenten, die eine stabile Spannungsregulierung mit minimalem Spannungsabfall ermöglichen. Die thermische Leistung eines LDO wird im Wesentlichen durch die Verlustleistung bestimmt, die entsteht, wenn das Gerät überschüssige Eingangsspannung in Wärme umwandelt. Die Verlustleistung (Pdiss) wird berechnet, indem die Spannungsdifferenz zwischen Eingang und Ausgang (Vin — Vout) mit dem Laststrom (Iload) multipliziert wird. Diese Leistung wird in Wärme umgewandelt, die sich direkt auf die Sperrschichttemperatur (TJ) des Halbleiterbauelements auswirkt. Der Wärmewiderstand von der Verbindungsstelle zur Umgebung (μJA) bestimmt, wie effektiv Wärme von der internen Siliziumverbindung des Geräts an die Umgebung übertragen wird. Verschiedene Gehäusetypen wie SOT-23 und TO-252 haben deutlich unterschiedliche thermische Eigenschaften, wobei die ΔJA-Werte zwischen etwa 50 und 150 °C/W liegen. Das Temperaturmanagement ist von entscheidender Bedeutung, da die Halbleiterleistung über 125 °C schnell abnimmt und ein sorgfältiges thermisches Design erforderlich ist, um einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten.

Bearbeitetes Beispiel

Stellen Sie sich einen LDO-Regler in einem SOT-23-Gehäuse vor, der 5 V in 3,3 V mit einem Laststrom von 500 mA umwandelt. Berechnen Sie zunächst die Verlustleistung: Pdiss = (5 V — 3,3 V) × 0,5 A = 0,85 W. Berechnen Sie die Sperrschichttemperatur mit 150 °C/W für SOT-23 und unter der Annahme einer Umgebungstemperatur von 25 °C die Sperrschichttemperatur: TJ = 25 °C + (150 °C/W × 0,85 W) = 152,75 °C. Da dies den Schwellenwert für die Reduzierung um 125 °C überschreitet, wird eine zusätzliche Kühlung oder ein anderes Gehäuse empfohlen, um einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten.

Praktische Tipps

  • ✓Verwenden Sie für Hochstrom-LDO-Anwendungen immer einen Kühlkörper oder ein größeres Gehäuse
  • ✓Überwachen Sie die Sperrschichttemperatur und implementieren Sie thermische Abschaltmechanismen
  • ✓Berücksichtigen Sie das PCB-Layout, um die Wärmeableitung vom Regler zu maximieren

Häufige Fehler

  • ✗Vernachlässigung der Schwankungen des Wärmewiderstands zwischen verschiedenen Gehäusetypen
  • ✗Annahme einer linearen thermischen Leistung über den gesamten Betriebstemperaturbereich
  • ✗Die Anforderungen an die thermische Leistungsreduzierung für Hochstromanwendungen werden übersehen

Häufig gestellte Fragen

Beim thermischen Derating wird der maximale Laststrom bei steigender Sperrschichttemperatur reduziert, um einen Ausfall des Halbleiters zu verhindern. Die meisten LDOs werden über 125 °C herabgesetzt, um eine zuverlässige Leistung aufrechtzuerhalten.
Verschiedene Gehäusetypen haben unterschiedliche Wärmewiderstände. SOT-23-Gehäuse haben typischerweise einen höheren Wärmewiderstand (≈ 150 °C/W) als größere Gehäuse wie TO-252 (≈ 50 °C/W), die Wärme effektiver ableiten.
Ja, das Hinzufügen eines Kühlkörpers kann die Sperrschichttemperatur erheblich senken, indem die Wärmeübertragung vom Gerät zur Umgebung verbessert wird und ein Betrieb mit höherem Strom ermöglicht wird.
Eine Überschreitung der maximalen Sperrschichttemperatur kann zu dauerhaften Geräteschäden, erhöhten Leckströmen, einer verringerten Regelgenauigkeit und möglicherweise zu katastrophalen Ausfällen führen.
Berechnen Sie die maximale Verlustleistung auf der Grundlage des Wärmewiderstands, der Umgebungstemperatur und der maximalen Sperrschichttemperatur des Gehäuses und ermitteln Sie dann den entsprechenden Laststrom.

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