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Calculadora térmica LDO

Calcule a dissipação de energia do regulador LDO, a temperatura da junção, a margem térmica e a tensão mínima de queda para validação do projeto térmico.

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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}

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

Pdiss— Dissipação de energia (W)
Vᵢₙ— Tensão de entrada (V)
Vₒᵤₜ— Tensão de saída (V)
Iₗₒₐd— Corrente de carga (A)
TJ— Temperatura de junção (°C)
Tₐₘb— Temperatura ambiente (°C)
θJA— Junção de resistência térmica ao ambiente (°C/W)

Como Funciona

A calculadora térmica LDO determina a temperatura da junção, a dissipação de energia e a corrente operacional segura para reguladores de tensão linear — essenciais para o gerenciamento de energia em circuitos analógicos sensíveis a ruídos, sistemas de RF e instrumentação de precisão. Engenheiros de projeto analógico, arquitetos de hardware e engenheiros de confiabilidade usam essa ferramenta para evitar o desligamento térmico e garantir a confiabilidade a longo prazo. De acordo com a nota de aplicação da TI SLVA118, a dissipação de energia LDO Pdiss = (Vin - Vout) × Iload gera calor que aumenta a temperatura da junção por Tj = Ta + (Pdiss × θJA). A resistência térmica θJA varia dramaticamente de acordo com o pacote: SOT-23 exibe 150-200° C/W, SOIC-8 fornece 100-125° C/W e o DPAK (TO-252) atinge 40-60° C/W com design térmico de PCB adequado. De acordo com o JEDEC JEP122G, a temperatura da junção de silício deve permanecer abaixo de 125° C por um MTBF de 10 anos — cada aumento de 10° C acima de 85° C reduz pela metade a vida útil do semicondutor de acordo com a equação de Arrhenius. Corrente máxima segura Imax = (TJ_max - Ta)/(θJA × ΔV), onde ΔV = Vin - Vout representa a altura livre de queda dissipada como calor.

Exemplo Resolvido

Projete um estágio de potência LDO para um conversor de 5 V a 3,3 V a 800 mA com temperatura ambiente de 55 °C em um gabinete industrial. Requisitos: Tj < 110°C para margem de confiabilidade, sem dissipador de calor externo. Etapa 1: Calcular a dissipação de energia — Pdiss = (5 - 3,3) × 0,8 = 1,36 W. Etapa 2: Determinar a resistência térmica necessária — θJA_max = (110 - 55) /1,36 = 40,4°C/W. Etapa 3: Selecione o pacote — SOT-223-4 com 62°C/W (folha de dados típica) insuficiente. Use DPAK (TO-252) com 35°C/W, incluindo vazão de cobre de 1 pol² de acordo com TI SLMA002. Etapa 4: Verifique a temperatura da junção — Tj = 55 + (1,36 × 35) = 102,6° C (dentro da especificação). Etapa 5: Calcular a margem de segurança — Com carga máxima de 1 A: Pdiss = 1,7 W, Tj = 114,5° C (ainda aceitável). Etapa 6: Considere a seleção de LDO — O TI TPS73633 (DPAK, queda de 150 mV, máximo de 125° C) fornece desligamento térmico integrado a 160° C como proteção de backup.

Dicas Práticas

  • ✓De acordo com a folha de dados do TI TPS7A8300, use vias térmicas (0,3 mm de diâmetro, 4-8 vias sob a almofada exposta) para reduzir θJA em 30-40% conduzindo calor para os planos internos do solo
  • ✓Adicione um fluxo mínimo de cobre de 1 pol.² conectado ao pino GND para pacotes SOT-223/DPAK — isso reduz θJA de 90° C/W para 50° C/W de acordo com o guia de design térmico da Analog Devices
  • ✓Implemente o monitoramento do desligamento térmico por meio do pino sinalizador (quando disponível) para acionar a redução de energia no nível do sistema antes de atingir o TJ_max — evita danos ao ciclo térmico

Erros Comuns

  • ✗Usando a folha de dados θJA sem considerar a área de cobre do PCB — SOT-23 θJA varia de 205°C/W (almofada mínima) a 120°C/W (cobre de 1 pol²) de acordo com TI SLMA002; os resultados reais podem ser 40% piores do que os valores da folha de dados
  • ✗Ignorando o aumento da tensão de queda em alta corrente — a queda de LDO aumenta de 150 mV a 100 mA para 300 mV a 1 A devido à passagem do transistor Rds (on); o cálculo do Pdiss deve usar a queda real na corrente operacional
  • ✗Operar continuamente em Tj = TJ_max — de acordo com MIL-HDBK-217F, operar a 125 °C versus 85 °C reduz o MTBF em 4 vezes; design para Tj < 100 °C em aplicações críticas de confiabilidade

Perguntas Frequentes

A redução térmica reduz a corrente máxima permitida à medida que a temperatura ambiente aumenta. De acordo com TI SLVA604, curva de redução: Imax = (Tj_max - Ta)/(θJA × ΔV). Exemplo: 1 Um LDO em ambiente de 25°C só pode fornecer 500 mA em ambiente de 75°C com o mesmo design térmico. Crítico: as classificações máximas de corrente da folha de dados assumem condições específicas de Ta (normalmente 25° C) e θJA.
De acordo com dispositivos analógicos AN-772, resistência térmica por embalagem: SOT-23 (180-220° C/W), SOT-223 (60-90° C/W), almofada exposta SOIC-8 (35-50° C/W), DPAK (25-40° C/W), D2PAK (15-25° C/W). Regra prática: cada aumento no tamanho da embalagem fornece 2 vezes a capacidade térmica. Os pacotes WLCSP oferecem o menor θJC (2-5° C/W), mas requerem um design de PCB cuidadoso para propagação de calor.
Sim — dissipadores de calor externos reduzem θJA em 40-70%. Para o pacote TO-220: θJA cai de 62° C/W (ar livre) para 23° C/W com um pequeno dissipador de calor com encaixe (Aavid 577002B00000G). Para pacotes de montagem em superfície, a área de PCB de cobre funciona como dissipador de calor — o cobre de 2 in² reduz o DPAK θJA de 40° C/W para 25° C/W por modelagem térmica de TI.
Acima de TJ_max (normalmente 125-150° C): a precisão da tensão de saída diminui (± 2% a ± 5%), a corrente quiescente aumenta de 2 a 3 vezes e o desligamento térmico interno é ativado a 150-160° C. Ciclos térmicos repetidos acima de 125° C causam fadiga na interconexão de metal, levando a circuitos abertos. De acordo com o JEDEC JEP122G, exceder 150° C por > 100 horas causa uma mudança paramétrica irreversível.
Imax = (TJ_max - Ta)/(θJA × (Vin - Vout)). Exemplo: 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. Sempre verifique a tensão de saída real na corrente alvo e adicione 20% de margem para variação de componentes e cargas transitórias.

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