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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 unión, la disipación de energía y la corriente de funcionamiento segura para los reguladores de voltaje lineales, 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 según Tj = Ta + (Pdiss × θJA). La resistencia térmica θJA varía drásticamente según el paquete: el SOT-23 muestra entre 150 y 200 °C/W, el SOIC-8 proporciona entre 100 y 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, el silicio temperatura de unióndebe permanecer por debajo de 125 °C durante un tiempo medio entre fallos 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 error que se disipa 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 un margen de fiabilidad, sin disipador térmicoexterno. 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, incluida 1 in² de vertido de cobre 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 (todavía 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, de 4 a 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
  • ✓Add 1 in² minimum copper pour connected to the GND pin for SOT-223/DPAK packages — this reduces θJA from 90°C/W to 50°C/W per Analog Devices thermal design guide
  • ✓Implemente la supervisión 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 (1 in² cobre) 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 mA 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
  • ✗El funcionamiento continuo a Tj = Tj_max — según la norma MIL-HDBK-217F, el funcionamiento a 125 °C frente a 85 °C reduce 4 veces el MTBF; está diseñado para Tj < 100 °C en aplicaciones de fiabilidad crítica

Preguntas Frecuentes

La reducción térmica reduce la corriente máxima permitida a medida que aumenta la temperatura ambiente. Según TI SLVA604, curva de reducción: Imax = (Tj_max - Ta)/(θJA × ΔV). Ejemplo: un LDO de 1 A 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 suponen 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 el θJC más bajo (2-5 °C/W), pero requieren un diseño cuidadoso de la PCB para que el calor se propague.
Yes — external heatsinks reduce θJA by 40-70%. For TO-220 package: θJA drops from 62°C/W (free air) to 23°C/W with small clip-on heatsink (Aavid 577002B00000G). For surface-mount packages, copper PCB area functions as heatsink — 2 in² copper reduces DPAK θJA from 40°C/W to 25°C/W per TI thermal modeling.
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 entre 150 y 160 °C. Los ciclos térmicos repetidos por encima de los 125 °C provocan fatiga en las interconexiones metálicas y, por lo tanto, se abren los circuitos. 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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