R课堂 | 安全使用三端稳压器必备的散热基础知识

     

三端稳压器是一种可以用来对电源进行降压的简单电子器件。由于降压部分直接因发热而成为热损耗，因此在从很高的电压降压时或在大电流条件下使用时，需要安装合适的散热器。

 

研究发现，温度每升高2℃，电子元器件的不良率就会增加10%，因此，适当的散热设计对于提高电子元器件的可靠性和延长使用寿命而言至关重要。

     

 

目 录

 

1.三端稳压器的最大电流取决于温度

2.确认无散热器的三端稳压器的实力

3.通过计算求出结温

4.如何找到可以输出1A的散热器

5.如何稳定输出1A

6.散热设计是电源电路的基础，也不能忘了实测

 

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三端稳压器的最大电流取决于温度

     

三端稳压器有多种类型，其最大输出电流涵盖0.5A到2A的范围。但是，在最大电流条件下使用时，需要配备合适的散热器。

 

在三端稳压器的技术规格书中，列出了单独使用IC时和带散热器使用IC时的两种容许功耗。

 

ROHM的三端稳压器BA17805CP的技术规格书。针对没有散热器的IC单体，容许功耗被限制在2W。

 

三端稳压器的输出能力在很大程度上取决于散热器的性能。实际上，说到使用散热器，可能很多人都会有一些困惑，比如“需要多大的散热器？”、“怎样测量温度才好？”等不同于电子作品制作的问题。

 

在本文中，我们将以三端稳压器为例，为您介绍电子元器件温度测量的基础知识和热设计的思路。

 

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确认无散热器的三端稳压器的实力

     

这次使用的是ROHM的三端稳压器BA17805CP。虽然是一款最大输出电流为1A的三端稳压器，但其IC单体的容许损耗却高达2W。

 

在介绍热设计之前，让我们先了解一下在没有散热器的状态下运行三端稳压器并测量电子器件温度的方法。

 

这次我们将使用输出电压为5V的ROHM三端稳压器“BA17805CP”。

 

在这款三端稳压器的技术规格书中，列出了“无散热器状态下的容许功耗为2W”。在这里我们要进行从12V降压到5V的降压工作，所以最大电流的计算值可以通过下列公式获得：

考虑到高达2W的三端稳压器损耗，得出的结论是可以承受约为0.29A的最大电流。

用粘合剂将热电偶固定在三端稳压器的封装表面。建议使用固化剂或AB环氧胶，这样可以固定得更牢固。

 

我们使用热电偶测量三端稳压器的温度。还有一些支持使用热电偶测量温度的测试仪，利用这类测试仪也可以轻松地高精度测量温度。

 

这次我们将重点介绍普遍适用的基本测量方法，如果您想以更高精度测量电子元器件的温度，建议您参考这里的应用指南（→使用热电偶测量温度时的注意事项｜ROHM）

 

做好准备后，在连接了能使三端稳压器的损耗达到2W的负载的状态下，观察温度上升情况。

（左）电流测量值，（中）封装表面温度，（右）被测量的三端稳压器

 

给三端稳压器施加了稍高的负载，使损耗达到2.1W，略微超过了额定值。由于连接的热电偶会散发一些热量，所以可以认为情况会比计算值要好。

 

我们增加电流直到BA17805CP的过热保护功能要启动却尚未启动的程度，最终输出电流达到0.31A。

 

此时的表面温度约为119℃。如果负载进一步增加，输出将在几分钟之内被过热保护电路关断。至于容许损耗，其结果与技术规格书中的值几乎相同。

 

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通过计算求出结温

     

前面介绍了使用热电偶测量温度的方法，但需要注意的是，这里测量的温度是封装的表面温度。

 

技术规格书中给出的IC的最大额定工作温度是IC封装的内部温度，被称为“结温(T_J)”，并不是封装的表面温度。所以仅仅测量封装的温度并不能掌握结温。

根据封装表面温度计算结温时，需要使用含有热特性参数Ψ_JT（与使用无限大散热器时的热阻θ_JC同义）的计算公式。

根据测量得到的封装表面温度值、技术规格书中给出的θ_JC和功耗值，可以计算出结温如下：

结温为131℃，看起来距离IC的最大额定工作温度150℃仍有余量，但如果再继续增加电流，输出就会因过热而被关断。

 

这是由于测量误差造成的，通常认为受引线和热电偶布线的影响，会使测得的封装表面温度低于实际的表面温度。

 

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如何找到可以输出1A的散热器

     

我们看到使用三端稳压器单体时，只能输出最高0.3A的电流，现在，我们安装散热器让输出达到1A。在这里介绍一下如何根据计算选择散热器。

 

要想选择最佳的散热器，通常会使用一种称为“散热等效电路”的手法。

 

散热等效电路是一种通过将与热相关的各元素视为电子元器件，来计算IC的发热量和求出热阻的方法。在散热等效电路中，各发热元素会如下替换并考量：

热源   →　功率（功率损耗）

各点的温度　→　电压

热阻   →　电阻

 

在这个散热等效电路中，以下公式成立：

这次求的是表示散热器热阻的θ_HA。在这里，我们将公式变形以使其更易于计算。其余各值均可从产品目录和技术规格书中获取，通过输入这些必要条件即可计算出θ_HA。

 

温度设置：最高结温T_J为150℃，室温T_A为25℃。因为从12V降压至5V时最大输出为1A，所以功耗P为7W。

 

结和外壳之间的热阻θ_JC在三端稳压器的技术规格书中已经提供，因此我们将直接使用这个值。本次使用的BA17805CP的θ_JC为5.7[℃/W]。

 

表示接触热阻的θ_CH，使用将导热硅脂或散热片的导热系数λ转换为热阻值的公式。其转换公式如下：

在这里，导热硅脂使用的是Sunhayato生产的导热硅脂SCH-20（导热系数：0.84W/m･k）。在TO220CP-3封装上使用这种硅脂时，热阻值为0.79℃/W（厚度0.1mm时）。

 

将这些值代入前面的θ_HA公式中得到以下结果：

从这个结果中，我们可以看出如果使用热阻为11.36[℃/W]以下的散热器，就可以输出1A。

 

秋月电子销售的GLOBAL ELECTRONICS公司生产的17PB046 01025的热阻为11.98[℃/W]，正好是接近该热阻值的散热器。虽然这款散热器与要求的热阻不是完全吻合，但是它很容易买到，所以我们用这款散热器试试能否实现1A输出。

（左）GLOBAL ELECTRONICS生产的散热器17PB046 01025和（右）Sunhayato生产的导热硅胶SCH-20。两者都可以在电子元器件商店或网上买到。

将三端稳压器用螺钉固定在散热器上。在自然空冷条件下，热阻会随着散热器的放置方式而变化。

 

将三端稳压器固定在散热器上之后，调整负载并增加电流，直到过热保护电路要启动却尚未启动的程度。

我们看到以0.96A的电流让三端稳压器开始运行了。该结果与计算得出的该散热器支持的最大输出电流0.95A几乎相同。

 

在连接散热器的状态下测量三端稳压器的封装表面温度时，实测值为108℃。将该测量结果和三端稳压器的损耗（6.7W）代入前面的结温计算公式，得出以下结果：

您可以看到，三端稳压器在接近额定工作温度的条件下工作。在这种状态下如果稍微增加一点负载，输出将在几分钟内被关断。

 

如上所述，进行热设计时，可以按照这类方法来选择与三端稳压器的能力相匹配的最佳散热器。

 

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如何稳定输出1A

     

前面我们介绍了使三端稳压器输出达到1A的方法，但这是在最高结温150℃和环境温度25℃的条件下计算得出的，只要温度略有变化，就可能立即超出额定值。

 

为了能够将其实际装入到电路中，必须在结温和环境温度有余量的条件下进行热设计。

 

例如，从12V降压到5V、输出1A的三端稳压器，在结温120℃、环境温度60℃的条件下计算时，要求散热器的热阻是θ_HA=2.08[℃/W]以下。

 

如果使用铝挤压成型的散热器（自然空冷）满足这个热阻要求的话，需要重量接近300克的产品。

 

只要您掌握了上述热设计要点，不用实际组装电路并实测温度，也能正确选择所需的散热器。

 

6

散热设计是电源电路的基础，

也不能忘了实测

     

本文重点介绍了三端稳压器的发热情况和热计算，其中，使用散热等效电路进行热设计是一种也适用于其他电子元器件的方便方法。

 

不考虑电子元器件的发热就制作电子电路的话，会给安装散热器的空间和元器件放置造成障碍，最终还会导致故障或成本增加。

 

这里介绍的热设计和温度测量是很简单的方法，如果要进行更高精度的温度测量，还需要进一步的知识和技巧。不过，仅凭本文介绍的方法，也可以有效管理电子元器件的发热了。

 

进行热设计还有一些先进的计算工具，但不管怎样实测验证是必不可少的。特别是在近年来的产品中，功率晶体管、功率IC等发热元器件的种类增多，发热密度也越来越大。欢迎大家参考这篇文章，积极解决发热问题。

 

参考（ROHM Application Note）

※ 使用热电偶测量温度时的注意事项
※ 三端稳压器的散热设计
※ 关于热阻和热特性参数

 

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原文标题：R课堂 | 安全使用三端稳压器必备的散热基础知识

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