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Calculadora Térmica de Regulador LDO

Calcula la disipación de potencia y temperatura de unión de reguladores de tensión LDO.

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Fórmula

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}

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

Pdiss— Disipación de potencia (W)
Vᵢₙ— Tensión de entrada (V)
Vₒᵤₜ— Tensión de salida (V)
Iₗₒₐd— Corriente de carga (A)
TJ— Temperatura de unión (°C)
Tₐₘb— Temperatura ambiente (°C)
θJA— Resistencia térmica entre la unión y el ambiente (°C/W)

Cómo Funciona

La calculadora térmica LDO determina la temperatura de las uniones, la disipación de energía y la corriente de funcionamiento segura para los reguladores de voltaje lineal, algo esencial para la administración de energía en circuitos analógicos sensibles al ruido, sistemas de RF e instrumentación de precisión. Los ingenieros de diseño analógico, los arquitectos de hardware y los ingenieros de confiabilidad utilizan esta herramienta para evitar el apagado térmico y garantizar la confiabilidad a largo plazo. Según la nota de aplicación SLVA118 de TI, la disipación de potencia LDO Pdiss = (Vin - Vout) × Iload genera calor que aumenta la temperatura de unión por Tj = Ta + (Pdiss × θJa). La resistencia térmica θJA varía drásticamente según el paquete: el SOT-23 presenta una temperatura de 150-200 °C/W, el SOIC-8 proporciona de 100 a 125 °C/W y el DPAK (TO-252) alcanza los 40-60 °C/W con un diseño térmico de PCB adecuado. Según el JEDEC JEP122G, la temperatura de unión del silicio debe permanecer por debajo de los 125 °C durante un tiempo medio entre medias de 10 años; cada aumento de 10 °C por encima de los 85 °C reduce a la mitad la vida útil de los semiconductores, según la ecuación de Arrhenius. Corriente máxima segura Imax = (TJ_max - Ta)/(θJA × ΔV), donde ΔV = Vin - Vout representa el margen de caída disipado en forma de calor.

Ejemplo Resuelto

Diseñe una etapa de alimentación LDO para un convertidor de 5 V a 3,3 V a 800 mA con una temperatura ambiente de 55 °C en un gabinete industrial. Requisitos: Tj < 110 °C para garantizar un margen de fiabilidad, sin disipador térmico externo. Paso 1: Calcular la disipación de potencia: Pdiss = (5 - 3,3) × 0,8 = 1,36 W. Paso 2: Determine la resistencia térmica requerida: θJA_max = (110 - 55) /1,36 = 40,4 °C/W. Paso 3: Seleccione el paquete: el SOT-223-4 con 62 °C/W (hoja de datos típica) es insuficiente. Utilice DPAK (TO-252) a 35 °C/W, incluido un vertido de cobre de 1 pulgada según TI SLMA002. Paso 4: Verifique la temperatura de unión: Tj = 55 + (1,36 × 35) = 102,6 °C (dentro de las especificaciones). Paso 5: Calcular el margen de seguridad: con una carga máxima de 1 A: Pdiss = 1,7 W, Tj = 114,5 °C (aún aceptable). Paso 6: Considere la posibilidad de seleccionar un LDO: el TI TPS73633 (DPAK, caída de 150 mV, 125 °C como máximo) proporciona un apagado térmico integrado a 160 °C como protección de respaldo.

Consejos Prácticos

  • ✓Según la hoja de datos TI TPS7A8300, utilice vías térmicas (0,3 mm de diámetro, 4-8 vías debajo de la almohadilla expuesta) para reducir θJa entre un 30 y un 40% al conducir el calor a los planos interiores del suelo
  • ✓Agregue un flujo de cobre mínimo de 1 pulgada cuadrada conectado al pin GND para los paquetes SOT-223/DPAK, lo que reduce el θJa de 90 °C/W a 50 °C/W según la guía de diseño térmico de Analog Devices
  • ✓Implemente el monitoreo del apagado térmico mediante un pin indicador (cuando esté disponible) para activar la reducción de energía a nivel del sistema antes de llegar a TJ_max, lo que evita daños por ciclos térmicos

Errores Comunes

  • ✗Uso de la hoja de datos θJA sin tener en cuenta el área de cobre de la PCB: el SOT-23 θJA oscila entre 205 °C/W (almohadilla mínima) y 120 °C/W (cobre de 1 pulgada cuadrada) según TI SLMA002; los resultados en el mundo real pueden ser un 40% peores que los valores de la hoja de datos
  • ✗Ignorar el aumento de la tensión de caída a alta corriente: la caída del LDO aumenta de 150 mV a 100 mV a 300 mV a 1 A debido al transistor de paso Rds (encendido); el cálculo del PDISS debe utilizar la caída real a la corriente de funcionamiento
  • ✗Funcionamiento continuo a Tj = TJ_max: según MIL-HDBK-217F, operar a 125 °C frente a 85 °C reduce 4 veces el MTBF; diseñado para Tj < 100 °C en aplicaciones de confiabilidad crítica

Preguntas Frecuentes

La reducción térmica reduce la corriente máxima permitida a medida que aumenta la temperatura ambiente. Según TI SLVA604, curva de reducción de potencia: Imax = (TJ_max - Ta)/(θJa × ΔV). Ejemplo: 1 Un LDO a 25 °C de temperatura ambiente solo puede entregar 500 mA a 75 °C de temperatura ambiente con el mismo diseño térmico. Crítico: las clasificaciones de corriente máximas de la hoja de datos asumen condiciones específicas de Ta (normalmente 25 °C) y θJa.
Según Analog Devices AN-772, resistencia térmica por paquete: SOT-23 (180-220 °C/W), SOT-223 (60-90 °C/W), almohadilla expuesta SOIC-8 (35-50 °C/W), DPAK (25-40 °C/W), D2PAK (15-25 °C/W). Regla empírica: cada escalón en el tamaño del paquete aumenta el doble de la capacidad térmica. Los paquetes WLCSP ofrecen los valores más bajos de 0JC (2-5 °C/W), pero requieren un diseño cuidadoso de la PCB para que el calor se propague.
Sí, los disipadores térmicos externos reducen θJa entre un 40 y un 70%. En el paquete TO-220: con un pequeño disipador térmico que se coloca con un clip (Aavid 577002B00000G), el valor de θJa pasa de 62 °C/W (aire libre) a 23 °C/W. En los paquetes de montaje en superficie, el área de cobre de la PCB funciona como disipador térmico: el cobre de 2 pulgadas reduce el DPAK θJa de 40 °C/W a 25 °C/W según el modelado térmico de TI.
Por encima de TJ_max (normalmente de 125 a 150 °C): la precisión del voltaje de salida se degrada (del ± 2% al ± 5%), la corriente de reposo aumenta de 2 a 3 veces y el apagado térmico interno se activa a 150 a 160 °C. Los ciclos térmicos repetidos por encima de los 125 °C provocan fatiga en las interconexiones metálicas, lo que provoca circuitos abiertos. Según el JEDEC JEP122G, superar los 150 °C durante más de 100 horas provoca un cambio paramétrico irreversible.
Imax = (TJ_max - Ta)/(θJA × (Vin - Vout)). Ejemplo: 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. Verifique siempre con la tensión de caída real en la corriente objetivo y añada un margen del 20% para la variación de los componentes y las cargas transitorias.

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