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Power

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

Pdiss=(Vin−Vout)⋅Iload,TJ=Tamb+θJA⋅PdissP_{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— Verlustleistung (W)
Vᵢₙ— Eingangsspannung (V)
Vₒᵤₜ— Ausgangsspannung (V)
Iₗₒₐd— Strom laden (A)
TJ— Sperrschichttemperatur (°C)
Tₐₘb— Umgebungstemperatur (°C)
θJA— Wärmewiderstand von der Verbindungsstelle zur Umgebung (°C/W)

Wie es funktioniert

Der LDO-Wärmerechner bestimmt die Sperrschichttemperatur, die Verlustleistung und den sicheren Betriebsstrom für lineare Spannungsregler — unverzichtbar für das Energiemanagement in geräuschempfindlichen analogen Schaltungen, HF-Systemen und Präzisionsinstrumenten. Ingenieure für analoge Konstruktionen, Hardwarearchitekten und Zuverlässigkeitsingenieure verwenden dieses Tool, um thermische Abschaltungen zu verhindern und eine langfristige Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Gemäß dem TI-Anwendungshinweis SLVA118 erzeugt die LDO-Verlustleistung Pdiss = (Vin — Vout) × Iload Wärme, die die Sperrschichttemperatur gemäß Tj = Ta + (Pdiss × θJA) erhöht. Der Wärmewiderstand θJA variiert dramatisch je nach Paket: SOT-23 weist 150-200°C/W auf, SOIC-8 liefert 100-125°C/W und DPAK (TO-252) erreicht 40-60°C/W °C/W mit dem richtigen thermischen Design der Leiterplatte. Gemäß JEDEC JEP122G muss die Silizium- Sperrschichttemperaturfür eine 10-jährige MTBF unter 125 °C bleiben — jeder Anstieg um 10 °C über 85 °C halbiert die Lebensdauer des Halbleiters gemäß der Arrhenius-Gleichung. Maximaler Sicherheitsstrom Imax = (Tj_max - Ta)/(θJA × ΔV), wo ΔV = vin — Vout steht für die Kopffreiheit, die beim Ausfall als Wärme abgeführt wird.

Rechenbeispiel

Entwerfen Sie eine LDO-Leistungsstufe für einen 5-V-zu-3,3-V-Wandler bei 800 mA und einer Umgebungstemperatur von 55 °C in einem Industriegehäuse. Anforderungen: Tj < 110 °C für die Zuverlässigkeitsspanne, kein externer Kühlkörper. Schritt 1: Berechnung der Verlustleistung — Pdiss = (5 — 3,3) × 0,8 = 1,36 W. Schritt 2: Ermitteln des erforderlichen Wärmewiderstands — θJA_max = (110 — 55) /1,36 = 40,4 °C/W. Schritt 3: Paket auswählen — SOT-223-4 mit 62 °C/W (typisches Datenblatt) ist nicht ausreichend. Verwenden Sie DPAK (TO-252) mit 35 °C/W einschließlich 1 in² Kupferguss gemäß TI SLMA002. Schritt 4: Überprüfen Sie die Sperrschichttemperatur— Tj = 55 + (1,36 × 35) = 102,6 °C (innerhalb der Spezifikation). Schritt 5: Sicherheitsmarge berechnen — Bei 1 A maximaler Belastung: Pdiss = 1,7 W, Tj = 114,5 °C (immer noch akzeptabel). Schritt 6: Erwägen Sie die LDO-Auswahl — TI TPS73633 (DPAK, 150 mV Dropout, max. 125 °C) bietet eine integrierte thermische Abschaltung bei 160 °C als Backup-Schutz.

Praktische Tipps

  • ✓Verwenden Sie gemäß dem Datenblatt des TI TPS7A8300 thermische Durchkontaktierungen (0,3 mm Durchmesser, 4—8 Durchkontaktierungen unter dem freiliegenden Polster), um θJA um 30-40% zu reduzieren, indem die Wärme an die inneren Masseflächen geleitet wird
  • ✓Fügen Sie bei SOT-223/DPAK-Gehäusen mindestens 1 in² Kupferdurchfluss hinzu, der an den GND-Pin angeschlossen ist. Dadurch reduziert sich θJA von 90 °C/W auf 50 °C/W gemäß dem Thermal Design Guide von Analog Devices
  • ✓Implementieren Sie eine Überwachung der thermischen Abschaltung über den Flag-Pin (falls verfügbar), um eine Leistungsreduzierung auf Systemebene auszulösen, bevor Tj_max erreicht wird — verhindert Schäden durch thermische Zyklen

Häufige Fehler

  • ✗Verwendung des Datenblatt θJA ohne Berücksichtigung der Kupferfläche der Leiterplatte — SOT-23 θJA reicht von 205°C/W (Mindestpad) bis 120°C/W (1 in² Kupfer) gemäß TI SLMA002; reale Ergebnisse können um 40% schlechter sein als die Datenblattwerte
  • ✗Ignorieren des Anstiegs der Dropout-Spannung bei hohem Strom — Der LDO-Ausfall steigt aufgrund des Durchlasstransistors Rds (an) von 150 mV bei 100 mA auf 300 mV bei 1 A; bei der Pdiss-Berechnung muss der tatsächliche Dropout bei Betriebsstrom verwendet werden
  • ✗Kontinuierlicher Betrieb bei Tj = Tj_max — gemäß MIL-HDBK-217F, Betrieb bei 125 °C gegenüber 85 °C reduziert die MTBF um das Vierfache; Design für Tj < 100 °C in zuverlässigkeitskritischen Anwendungen

Häufig gestellte Fragen

Das thermische Derating reduziert den maximal zulässigen Strom, wenn die Umgebungstemperatur steigt. Gemäß TI SLVA604, Derating-Kurve: Imax = (Tj_max - Ta)/(θJA × ΔV). Beispiel: Ein 1-A-LDO bei 25 °C Umgebungstemperatur kann bei 75 °C Umgebungstemperatur bei gleicher thermischer Auslegung nur 500 mA liefern. Kritisch: Die maximalen Nennströme im Datenblatt gehen von bestimmten Ta- (typischerweise 25 °C) und θJA -Bedingungen aus.
Gemäß Analog Devices AN-772, Wärmewiderstand je Verpackung: SOT-23 (180-220 °C/W), SOT-223 (60-90 °C/W), SOIC-8-belichtetes Pad (35-50 °C/W), DPAK (25-40 °C/W), D2PAK (15-25 °C/W). Faustregel: Jede Erhöhung der Packungsgröße bietet eine zweifache Wärmekapazität. WLCSP-Gehäuse bieten den niedrigsten θJC (2-5 °C/W), erfordern jedoch ein sorgfältiges PCB-Design, um die Wärmeverteilung zu gewährleisten.
Ja — externe Kühlkörper reduzieren θJA um 40-70%. Für das TO-220-Gehäuse: Bei Verwendung eines kleinen ansteckbaren Kühlkörpers (Aavid 577002B00000G) sinkt der θJA von 62°C/W (freie Luft) auf 23°C/W. Bei oberflächenmontierbaren Gehäusen fungiert der Kupfer-Leiterplattenbereich als Kühlkörper — 2 in² Kupfer reduziert den DPAK θJA von 40 °C/W auf 25 °C/W gemäß der thermischen Modellierung von TI.
Über Tj_max (typischerweise 125—150 °C): Die Genauigkeit der Ausgangsspannung nimmt ab (± 2% bis ± 5%), der Ruhestrom steigt um das 2-3-fache an und die interne thermische Abschaltung wird bei 150-160 °C aktiviert. Wiederholte Temperaturwechsel über 125 °C führen zu einer Ermüdung der Metallverbindungen, was zu offenen Stromkreisen führt. Gemäß JEDEC JEP122G führt eine Überschreitung von 150 °C für mehr als 100 Stunden zu einer irreversiblen Parameterverschiebung.
Imax = (Tj_max - Ta)/(θJA × (Vin - Vout)). Beispiel: Tj_max = 125°C, Ta = 40°C, θJA = 60°C/W (SOT-223), Vin = 5 V, Vout = 3,3 V. Imax = (125-40)/(60 × 1,7) = 833 mA. Prüfen Sie stets anhand der tatsächlichen Abschaltspannung beim Sollstrom und fügen Sie für Komponentenschwankungen und transiente Lasten einen Spielraum von 20% hinzu.

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