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车用 36V 低耗电 LDO 与热处理问题

2020/07/23
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汽车是一个相当复杂的可运动实体,它内部各处可能的温度范围是完全不同的,给人的感受也完全不一样。我很不喜欢在行车以后打开引擎盖,扑面而来的热流让我觉得很不舒服,但是呆在车厢里就是我很喜欢的状态,即使是在阳光照耀之下,我也常常关着车窗就在车里睡觉,因为我的车顶天窗装有一块太阳能电池,它在车辆处于驻车状态时会主动驱动换气扇给车内送入新风,根本不用担心闷死人的状况会发生在我身上。

按照权威机构提供的信息,汽车内部各处的可能温度范围如下表所示:

为了满足各种不同温度级别的需要,各种针对元器件的认证级别也就诞生了:

在温度范围越宽的地方,对所用产品品质的管控也会越严格,需要采取的措施也会越多,所以,即使简单如 LDO,产品也会分出不同的级别来。

上期文章已经提到符合车规的 36V、2µA 耗电线性稳压器有两个型号,RT2560Q 和 RTQ2569-QA,负载能力都是 100mA,认证级别分别为 AEC-Q100 Grade 3 和 Grade 1,也就是说 RT2560Q 可以在 -40℃~85℃ 范围内正常使用,RTQ2569-QA 可以在 -40℃~125℃ 范围内正常使用,用户可以根据自己的需要进行选择,它们的成本不一样,带给用户的保障也会不同。

RT2560Q 在电路图上是一副三端稳压器的样子:

它的封装却很奢侈,为带有外露式散热焊盘的 SOP-8,其外观及引脚分布如下图所示:

RT2560Q 的封装和引脚分布

RTQ2569-QA 则使用了 WDFN 封装,平面尺寸为 3mmX3mm,厚度只有 0.8mm(最大值),体积比前者小很多,功率耗散能力为 2.85W(在 25℃ 环境温度下,空气处于静止状态),超过了前者的 2.041W,这就让它拥有了更高的热承载能力,使用性能会更好些,可以使用在空间受限的地方。

RTQ2569-QA 的封装和引脚分布

线性稳压器的功耗是用下述公式进行计算的:

PD = (VIN - VOUT) × IOUT + VIN × IQ

这个功耗会转换为热量并通过传导的方式从芯片内核向外壳传播,再由外壳向周围环境传导或是辐射。热量从内核向外壳传导时遇到的阻力被称为热阻 θJC,热量由外壳传播到周围环境时遇到的阻力被称为热阻 θCA,热量从内核传播到周围环境时遇到的阻力被称为热阻 θJA,并且有 θJA = θJC + θCA。

θJC 是由封装形式决定的,一旦选定就无法改变。θCA 是由芯片与 PCB 的接触方式、散热铜箔的大小、PCB 厚度、通孔设计、周围元件的布局以及空气流动状况等复杂因素共同决定的,用户的设计可以对它发生很大的影响。

规格书中提供的封装最大耗散功率由这些因素共同决定:芯片内核容许的最高温度(结温,Junction Temperature),25℃ 的环境温度,芯片被焊接在符合 JEDEC 51-7 标准的 4 层测试板上,周围空气处于静止状态,这后面的两点就决定了热阻 θCA 的大小,相应地 θJA 也就被确定了,它们之间的关系如下式所示:

PD(MAX)  = (TJ(MAX) - TA ) / θJA

在这个公式中,TJ(MAX) 由芯片本身确定,θJA 由应用设计确定,唯有 TA 是由环境确定的,所以环境温度的变化决定了 PD(MAX)  的大小,这将传递到上述的 PD 计算公式中,使得 VIN 的最大值受到限制(其它参数由 IC 以及应用确定)。

在应用设计过程中,要想获得最大的 PD(MAX) ,最好的做法就是降低热阻 θJA,RT2560Q 的规格书在这方面做了一点指引,它给出了不同散热铜箔面积所带来的 θJA 的数据以供参考。

很显然,散热铜箔越大,热阻 θJA 就越低,而前文所述这种带有外露式散热焊盘的 SOP-8 封装 2.041W 的功率耗散能力是在 θJA 为 75℃/W 的热阻下计算得到的,我们由此可以推知 JEDEC 51-7 标准中的测试板的设计使用的散热铜箔就和 (a) 情形相同,这实在是一个非常受限的设计,其它做法都会比它好很多,但我们也能理解这就是一个标准所能做的事情,我们不该对它要求太多,反而要去善用它,利用它的规则看到不同封装的特性,帮助我们在设计中做出正确的选择。

在较高的温度下使用稳压器时,必须考虑到环境温度 TA 对功率耗散能力的影响,对设计进行降额处理是必须的,以 RT2560Q 为例,请参考规格书中的下图进行思考,它的依据就来源于上述的这些信息。

在我过去的技术支持实践中看到人们在选用 LDO 时最容易忽略的问题就是热问题,希望这里提供的信息能够帮助读者建立起一些思考的基础,降低选型以及设计中的错误出现几率。

转载自RichtekTechnology。

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