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Power

LDO サーマル・計算ツール

LDOレギュレータの電力損失、接合部温度、熱マージン、および最小ドロップアウト電圧を計算して、熱設計を検証します。

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公式

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}

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

Pdiss— 電力損失 (W)
Vᵢₙ— 入力電圧 (V)
Vₒᵤₜ— 出力電圧 (V)
Iₗₒₐd— 負荷電流 (A)
TJ— ジャンクション温度 (°C)
Tₐₘb— 周囲温度 (°C)
θJA— 接合部と周囲との熱抵抗 (°C/W)

仕組み

LDOサーマル・カリキュレータは、ノイズに敏感なアナログ回路、RFシステム、および高精度計測器の電源管理に不可欠なリニア電圧レギュレータの 接合部温度、電力損失、および安全動作電流を測定します。アナログ設計エンジニア、ハードウェアアーキテクト、信頼性エンジニアは、このツールを使用してサーマルシャットダウンを防ぎ、長期的な信頼性を確保しています。TIアプリケーションノートSLVA118によると、LDOの電力損失Pdiss =（Vin-Vout）×Iloadは熱を発生させ、Tj = Ta +（Pdiss × θJA）に従って接合温度を上昇させます。熱抵抗 θJA はパッケージによって大きく異なります。SOT-23は150-200°C/W、SOIC-8は100〜125°C/W、DPAK（TO-252) は、適切なプリント基板の熱設計によって40～60℃/ワットを実現しています。JEDEC JEP122Gによると、シリコン 接合温度は、10年間のMTBFの間、125°C未満に保つ必要があります。アレニウスの式によると、85°Cを超えて10°C上昇するごとに半導体の寿命が半分になります。最大安全電流 Imax = (Tj_max - Ta)/(θJA × ΔV), ここで、 ΔV = Vin-Voutは熱として放散されるドロップアウトヘッドルームを表します。

計算例

産業用エンクロージャ内の周囲温度が55°Cの800mAの5V～3.3Vコンバータ用のLDOパワーステージを設計します。要件:信頼性に余裕を持たせるためTj < 110°C、外部 ヒートシンクは不要です。ステップ1: 消費電力の計算 — Pdiss = (5-3.3) × 0.8 = 1.36 W。ステップ2: 必要な熱抵抗の決定 — θJA_max = (110-55) /1.36 = 40.4°C/W。ステップ 3: パッケージの選択 — 62°C/W (標準データシート) のSOT-223-4 (標準データシート) では不十分です。TI SLMA002に準拠した1 in² 銅注入を含め、35°C/WのDPAK (TO-252) を使用してください。ステップ 4: ジャンクション温度— Tj = 55 + (1.36 × 35) = 102.6°C (仕様内) を確認します。ステップ 5: 安全マージンの計算 — 最大負荷が 1 A の場合:Pdiss = 1.7 W、Tj = 114.5°C (まだ許容範囲内です)。ステップ6: LDOの選択を検討してください。TI TPS73633 (DPAK、150mVドロップアウト、最大125°C) は、バックアップ保護として160°Cのサーマルシャットダウン機能を内蔵しています。

実践的なヒント

  • ✓TI TPS7A8300データシートによると、サーマルビア（直径0.3 mm、露出パッドの下に4〜8個のビア）を使用すると、内部のグランドプレーンに熱を伝導して θJA を30〜40％削減できます
  • ✓SOT-223/DPAKパッケージのGNDピンに1 in² の最小銅注入口を追加すると、アナログ・デバイセズの熱設計ガイドによると、 θJA が90°C/Wから50°C/Wに減少します。
  • ✓フラグピン（可能な場合）によるサーマルシャットダウン監視を実装して、 Tj_max に達する前にシステムレベルの電力削減をトリガーします。これにより、サーマルサイクルによる損傷を防ぎます

よくある間違い

  • ✗PCBの銅面積を考慮せずにデータシート θJA を使用する — SOT-23 θJA は、TI SLMA002によると、205°C/W（最小パッド）から120°C/W（1 in² 銅）の範囲で、実際の結果はデータシートの値よりも 40% 悪い場合があります
  • ✗高電流時のドロップアウト電圧の上昇を無視 — パス・トランジスタのRds (オン) により、LDOのドロップアウトは100mAで150mVから1Aで300mVに上昇。Pdissの計算では、動作電流での実際のドロップアウトを使用する必要があります
  • ✗MIL-HDBK-217Fに従ってTj = Tj_max —で継続的に動作し、85°Cに対して125°Cで動作するとMTBFが4倍減少します。信頼性が重要なアプリケーションにおけるTj <100°C向けの設計

よくある質問

温度ディレーティングは、周囲温度が上昇するにつれて最大許容電流を減少させます。TI SLVA604によると、ディレーティング曲線:Imax = (Tj_max - Ta)/(θJA × ΔV). 例:周囲25°Cで1 AのLDOは、同じ熱設計で周囲75°Cで500mAしか供給できません。重要:データシートの最大電流定格は、特定のTa (通常は 25°C) および θJA の条件を想定しています。
アナログ・デバイセズのAN-772によると、パッケージ別の熱抵抗：SOT-23（180-220°C/W）、SOT-223（60-90°C/W）、SOIC-8露出パッド（35-50°C/W）、DPAK（25-40°C/W）、D2PAK（15-25°C/W）。経験則：パッケージ・サイズを1つ大きくするごとに、2倍の熱性能が得られます。WLCSPパッケージは θJC （2-5°C/W）と最も低くなりますが、熱が拡散しないように注意深いPCB設計が必要です。
はい。外部ヒートシンクは θJA を40〜70％削減します。TO-220パッケージの場合： θJA は、小さなクリップオンヒートシンク（Aavid 577002B00000G）を使用すると、62°C/W（フリーエア）から23°C/Wに低下します。表面実装パッケージの場合、銅基板エリアはヒートシンクの役割を果たします — 2 in² 銅は、TI熱モデリングに従ってDPAK θJA を40°C/Wから25°C/Wに低減します。
Tj_max （標準125～150°C）を超えると、出力電圧の精度が低下し（± 2% ～ ± 5%）、静止電流が2～3倍に増加し、150～160°Cで内部のサーマルシャットダウンが作動します。125°Cを超える温度サイクルを繰り返すと、メタル・インターコネクトが疲労し、オープン回路につながります。JEDEC JEP122Gによると、100時間以上にわたって150°Cを超えると、不可逆的なパラメトリックシフトが発生します。
アイマックス = (Tj_max - Ta)/(θJA × (ワイン-アウト))。例: 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。必ず目標電流での実際のドロップアウト電圧で確認し、部品の変動と過渡負荷に対して 20% のマージンを加えてください。

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