安全使用三端穩壓器必備的散熱基礎知識

三端穩壓器是一種可以用來(lái)對電源進(jìn)行降壓的簡(jiǎn)單電子器件。由于降壓部分直接因發(fā)熱而成為熱損耗，因此在從很高的電壓降壓時(shí)或在大電流條件下使用時(shí)，需要安裝合適的散熱器。

研究發(fā)現，溫度每升高2℃，電子元器件的不良率就會(huì )增加10%，因此，適當的散熱設計對于提高電子元器件的可靠性和延長(cháng)使用壽命而言至關(guān)重要。

1 三端穩壓器的最大電流取決于溫度

三端穩壓器有多種類(lèi)型，其最大輸出電流涵蓋0.5A到2A的范圍。但是，在最大電流條件下使用時(shí)，需要配備合適的散熱器。

在三端穩壓器的技術(shù)規格書(shū)中，列出了單獨使用IC時(shí)和帶散熱器使用IC時(shí)的兩種容許功耗。

ROHM的三端穩壓器BA17805CP的技術(shù)規格書(shū)。針對沒(méi)有散熱器的IC單體，容許功耗被限制在2W。

三端穩壓器的輸出能力在很大程度上取決于散熱器的性能。實(shí)際上，說(shuō)到使用散熱器，可能很多人都會(huì )有一些困惑，比如“需要多大的散熱器？”、“怎樣測量溫度才好？”等不同于電子作品制作的問(wèn)題。

在本文中，我們將以三端穩壓器為例，為您介紹電子元器件溫度測量的基礎知識和熱設計的思路。

2 確認無(wú)散熱器的三端穩壓器的實(shí)力

這次使用的是ROHM的三端穩壓器BA17805CP。雖然是一款最大輸出電流為1A的三端穩壓器，但其IC單體的容許損耗卻高達2W。

在介紹熱設計之前，讓我們先了解一下在沒(méi)有散熱器的狀態(tài)下運行三端穩壓器并測量電子器件溫度的方法。

這次我們將使用輸出電壓為5V的ROHM三端穩壓器“BA17805CP”。

在這款三端穩壓器的技術(shù)規格書(shū)中，列出了“無(wú)散熱器狀態(tài)下的容許功耗為2W”。在這里我們要進(jìn)行從12V降壓到5V的降壓工作，所以最大電流的計算值可以通過(guò)下列公式獲得：

考慮到高達2W的三端穩壓器損耗，得出的結論是可以承受約為0.29A的最大電流。

用粘合劑將熱電偶固定在三端穩壓器的封裝表面。建議使用固化劑或AB環(huán)氧膠，這樣可以固定得更牢固。

我們使用熱電偶測量三端穩壓器的溫度。還有一些支持使用熱電偶測量溫度的測試儀，利用這類(lèi)測試儀也可以輕松地高精度測量溫度。

這次我們將重點(diǎn)介紹普遍適用的基本測量方法，如果您想以更高精度測量電子元器件的溫度，建議您參考這里的應用指南（→使用熱電偶測量溫度時(shí)的注意事項｜ROHM）

做好準備后，在連接了能使三端穩壓器的損耗達到2W的負載的狀態(tài)下，觀(guān)察溫度上升情況。

（左）電流測量值，（中）封裝表面溫度，（右）被測量的三端穩壓器

給三端穩壓器施加了稍高的負載，使損耗達到2.1W，略微超過(guò)了額定值。由于連接的熱電偶會(huì )散發(fā)一些熱量，所以可以認為情況會(huì )比計算值要好。

我們增加電流直到BA17805CP的過(guò)熱保護功能要啟動(dòng)卻尚未啟動(dòng)的程度，最終輸出電流達到0.31A。

此時(shí)的表面溫度約為119℃。如果負載進(jìn)一步增加，輸出將在幾分鐘之內被過(guò)熱保護電路關(guān)斷。至于容許損耗，其結果與技術(shù)規格書(shū)中的值幾乎相同。

3 通過(guò)計算求出結溫

前面介紹了使用熱電偶測量溫度的方法，但需要注意的是，這里測量的溫度是封裝的表面溫度。

技術(shù)規格書(shū)中給出的IC的最大額定工作溫度是IC封裝的內部溫度，被稱(chēng)為“結溫(TJ)”，并不是封裝的表面溫度。所以?xún)H僅測量封裝的溫度并不能掌握結溫。

根據封裝表面溫度計算結溫時(shí)，需要使用含有熱特性參數ΨJT（與使用無(wú)限大散熱器時(shí)的熱阻θJC同義）的計算公式。

根據測量得到的封裝表面溫度值、技術(shù)規格書(shū)中給出的θJC和功耗值，可以計算出結溫如下：

結溫為131℃，看起來(lái)距離IC的最大額定工作溫度150℃仍有余量，但如果再繼續增加電流，輸出就會(huì )因過(guò)熱而被關(guān)斷。

這是由于測量誤差造成的，通常認為受引線(xiàn)和熱電偶布線(xiàn)的影響，會(huì )使測得的封裝表面溫度低于實(shí)際的表面溫度。

4 如何找到可以輸出1A的散熱器

我們看到使用三端穩壓器單體時(shí)，只能輸出最高0.3A的電流，現在，我們安裝散熱器讓輸出達到1A。在這里介紹一下如何根據計算選擇散熱器。

要想選擇最佳的散熱器，通常會(huì )使用一種稱(chēng)為“散熱等效電路”的手法。

散熱等效電路是一種通過(guò)將與熱相關(guān)的各元素視為電子元器件，來(lái)計算IC的發(fā)熱量和求出熱阻的方法。在散熱等效電路中，各發(fā)熱元素會(huì )如下替換并考量：

熱源   →　功率（功率損耗）

各點(diǎn)的溫度　→　電壓

熱阻   →　電阻

在這個(gè)散熱等效電路中，以下公式成立：

這次求的是表示散熱器熱阻的θHA。在這里，我們將公式變形以使其更易于計算。其余各值均可從產(chǎn)品目錄和技術(shù)規格書(shū)中獲取，通過(guò)輸入這些必要條件即可計算出θHA。

溫度設置：最高結溫TJ為150℃，室溫TA為25℃。因為從12V降壓至5V時(shí)最大輸出為1A，所以功耗P為7W。

結和外殼之間的熱阻θJC在三端穩壓器的技術(shù)規格書(shū)中已經(jīng)提供，因此我們將直接使用這個(gè)值。本次使用的BA17805CP的θJC為5.7[℃/W]。

表示接觸熱阻的θCH，使用將導熱硅脂或散熱片的導熱系數λ轉換為熱阻值的公式。其轉換公式如下：

在這里，導熱硅脂使用的是Sunhayato生產(chǎn)的導熱硅脂SCH-20（導熱系數：0.84W/m?k）。在TO220CP-3封裝上使用這種硅脂時(shí)，熱阻值為0.79℃/W（厚度0.1mm時(shí)）。

將這些值代入前面的θHA公式中得到以下結果：

從這個(gè)結果中，我們可以看出如果使用熱阻為11.36[℃/W]以下的散熱器，就可以輸出1A。

秋月電子銷(xiāo)售的GLOBAL ELECTRONICS公司生產(chǎn)的17PB046 01025的熱阻為11.98[℃/W]，正好是接近該熱阻值的散熱器。雖然這款散熱器與要求的熱阻不是完全吻合，但是它很容易買(mǎi)到，所以我們用這款散熱器試試能否實(shí)現1A輸出。

（左）GLOBAL ELECTRONICS生產(chǎn)的散熱器17PB046 01025和（右）Sunhayato生產(chǎn)的導熱硅膠SCH-20。兩者都可以在電子元器件商店或網(wǎng)上買(mǎi)到。

將三端穩壓器用螺釘固定在散熱器上。在自然空冷條件下，熱阻會(huì )隨著(zhù)散熱器的放置方式而變化。

將三端穩壓器固定在散熱器上之后，調整負載并增加電流，直到過(guò)熱保護電路要啟動(dòng)卻尚未啟動(dòng)的程度。

我們看到以0.96A的電流讓三端穩壓器開(kāi)始運行了。該結果與計算得出的該散熱器支持的最大輸出電流0.95A幾乎相同。

在連接散熱器的狀態(tài)下測量三端穩壓器的封裝表面溫度時(shí)，實(shí)測值為108℃。將該測量結果和三端穩壓器的損耗（6.7W）代入前面的結溫計算公式，得出以下結果：

您可以看到，三端穩壓器在接近額定工作溫度的條件下工作。在這種狀態(tài)下如果稍微增加一點(diǎn)負載，輸出將在幾分鐘內被關(guān)斷。

如上所述，進(jìn)行熱設計時(shí)，可以按照這類(lèi)方法來(lái)選擇與三端穩壓器的能力相匹配的最佳散熱器。

5 如何穩定輸出1A

前面我們介紹了使三端穩壓器輸出達到1A的方法，但這是在最高結溫150℃和環(huán)境溫度25℃的條件下計算得出的，只要溫度略有變化，就可能立即超出額定值。

為了能夠將其實(shí)際裝入到電路中，必須在結溫和環(huán)境溫度有余量的條件下進(jìn)行熱設計。

例如，從12V降壓到5V、輸出1A的三端穩壓器，在結溫120℃、環(huán)境溫度60℃的條件下計算時(shí)，要求散熱器的熱阻是θHA=2.08[℃/W]以下。

如果使用鋁擠壓成型的散熱器（自然空冷）滿(mǎn)足這個(gè)熱阻要求的話(huà)，需要重量接近300克的產(chǎn)品。

只要您掌握了上述熱設計要點(diǎn)，不用實(shí)際組裝電路并實(shí)測溫度，也能正確選擇所需的散熱器。

6 散熱設計是電源電路的基礎，也不能忘了實(shí)測

本文重點(diǎn)介紹了三端穩壓器的發(fā)熱情況和熱計算，其中，使用散熱等效電路進(jìn)行熱設計是一種也適用于其他電子元器件的方便方法。

不考慮電子元器件的發(fā)熱就制作電子電路的話(huà)，會(huì )給安裝散熱器的空間和元器件放置造成障礙，最終還會(huì )導致故障或成本增加。

這里介紹的熱設計和溫度測量是很簡(jiǎn)單的方法，如果要進(jìn)行更高精度的溫度測量，還需要進(jìn)一步的知識和技巧。不過(guò)，僅憑本文介紹的方法，也可以有效管理電子元器件的發(fā)熱了。

進(jìn)行熱設計還有一些先進(jìn)的計算工具，但不管怎樣實(shí)測驗證是必不可少的。特別是在近年來(lái)的產(chǎn)品中，功率晶體管、功率IC等發(fā)熱元器件的種類(lèi)增多，發(fā)熱密度也越來(lái)越大。歡迎大家參考這篇文章，積極解決發(fā)熱問(wèn)題。