电源IC的效率与热设计基础知识

本期技术通讯主题为“电源IC的基础及小型/低功耗设备、控制/处理电路板的电源设计”。

上期我们介绍了实际使用LDO时的注意事项，包括外接元件、电容选型、发热以及启动故障等问题。本期作为第8期，将讲解电源设计中必须确认的效率与热设计。

第8期｜电源IC的效率与热设计基础

电源IC的损耗会转化为“热量”

在电源电路中，输入的电力并非全部都能传递给负载。部分输入功率会在电源IC及周边元件内部被消耗。这部分消耗即为损耗，最终会转化为热量。也就是说，在考虑电源IC发热问题时，首先估算“产生了多少损耗”至关重要。

发热量过大不仅会导致IC温度升高，还会影响周边元件的温度、设备整体的可靠性以及长期使用寿命。

什么是效率

电源IC的效率，是衡量输入电能中有多少被有效转化为输出电能的指标。

输出功率由输出电压与输出电流的乘积表示：

输出功率= VOUT× IOUT

另一方面，输入功率是输入电压与输入电流的乘积。

输入功率= VIN× IIN

效率可理解为输出功率除以输入功率的值。效率越高，损耗越小，发热也越容易抑制。反之，如果效率较低，未能送达负载的电能将以热能的形式消耗掉。

LDO的效率通常由输入电压与输出电压的比值决定

在LDO中，输入电压与输出电压的差值会直接导致损耗。

粗略估算时，LDO的损耗可按以下方式计算：

LDO的损耗≒（VIN - VOUT）× IOUT

例如，考虑从5V输入输出3.3V并流过300mA的情况。输入电压与输出电压的差为1.7V。将此数值乘以0.3A，损耗约为0.51W。这0.51W的功率会在LDO内部转化为热量。

虽然LDO电路简单且易于构建低噪声电源，但在输入电压与输出电压差较大或输出电流较大时，需注意发热问题。

抑制LDO发热的思路

要抑制LDO的发热，主要有以下几种思路。

缩小输入电压与输出电压的差值

例如，若直接使用LDO将12V转换为3.3V，损耗会很大。

这种情况下，采用前级使用DC/DC转换器将电压降至5V或3.8V左右，后级再接入LDO的结构较为有效。

降低输出电流

通过关闭非必要电路、缩短负载侧的运行时间等方式降低系统整体的消耗电流，也有助于减少发热。

提高散热性能

确保电路板的铜箔面积、使用导热过孔、避免发热元件密集排列等，通过电路板设计实现散热也至关重要。

DC/DC转换器的损耗可通过效率估算

DC/DC转换器的一大特点是，与LDO相比，它能以更高的效率进行电压转换。不过，DC/DC转换器的损耗并非为零。DC/DC转换器的损耗可通过效率进行估算。

例如，假设输入5V，输出3.3V、1A，效率为90%。

输出功率为：3.3V × 1A = 3.3W

由于效率为90%，因此输入功率大于输出功率。这一差值即为损耗。在此条件下，损耗约为0.37W。

若使用LDO将5V降压至3.3V并输出1A，估算损失约为1.7W。

通过这一比较可以看出，在输出电流较大的情况下，DC/DC转换器往往更具优势。

重载与轻载时应关注的效率指标不同

评估效率时，切勿仅凭代表值进行判断。电源IC的效率会随输入电压、输出电压和输出电流的变化而变化。

特别需要关注的重点是重负载时的效率与轻负载时的效率。重负载时的效率对发热影响很大。由于输出电流越大，损耗往往也越大，因此这对确认设备温度上升情况至关重要。另一方面，轻负载时的效率则对电池寿命影响甚大。

在电池供电设备中，通常大部分时间处于睡眠或待机状态，仅偶尔进行通信或传感操作。这种情况下，不仅需要关注最大负载时的效率，还必须确认在数µA至数mA级别的轻负载区域内效率表现如何。

确认允许损耗与热阻

在热设计中，需先估算电源IC产生的损耗，然后确认能否安全地将热量散发出去。

在数据手册中，通常会列出允许损耗Pd和热阻θja等与热相关的指标。允许损耗 Pd 表示在特定条件下，IC 能够承受的最大损耗值。热阻 θja 是一个指标，表示当 IC 产生 1W 损耗时，结温相对于环境温度会升高多少摄氏度。

例如，如果热阻为 80℃/W，损耗为 0.5W，则计算得出结温将比环境温度高约 40℃。如果环境温度为60℃，则结温约为100℃。由此，通过损耗、热阻和环境温度，可以确认IC内部温度是否在允许范围内。

※允许功耗 Pd 与热阻 θja 的示例

数据手册中的热阻与实际工作条件不同

这里需要注意的是，数据手册中记载的热阻和允许功耗，是在规定的评估电路板和测量条件下测得的数值。而在实际产品电路板中，电路板尺寸、铜箔面积、层数、周边元件、外壳、气流等因素均有所不同。因此，仅凭数据手册中的数值无法准确预测实际设备的温度。

热阻和允许功耗应作为比较不同产品或封装的参考指标，最终必须通过实际设备来确认温度。

需在实际设备中确认的温度点

在热设计中，不仅要进行理论计算，在接近实际使用条件的情况下测量温度也至关重要。

需要确认的要点如下。

电源IC封装表面温度

IC引脚附近的电路板温度

线圈、二极管等周边元件的温度

附近对温度敏感的元件温度

机箱内部温度

最大负载时、连续工作时及环境温度较高条件下的温度

即使电源IC本身没有问题，也可能因周边元件或机箱内部温度的影响，在实际使用时温度升高。

应避免依赖TSD的设计

许多电源IC都搭载了TSD作为过热保护功能。TSD是一种当IC内部温度过高时停止输出，以防止器件损坏或异常发热的保护功能。但需注意，TSD仅是异常情况下的保护功能。必须避免在正常工作状态下触发TSD的设计。TSD的触发意味着IC内部温度已处于相当高的状态。

考虑到长期可靠性及设备的稳定运行，在正常使用时确保留有充足的温度裕度至关重要。

设计时需确认的要点

在效率与热设计方面，确认以下项目将有助于更顺畅地进行评估。

对于LDO，是否根据VIN- VOUT的电压差和IOUT 来估算了损耗

对于DC/DC转换器，是否根据效率估算了损耗

满载时的发热是否正常

轻载时的效率是否会影响电池寿命

是否考虑了环境温度的极限条件

是否确认了允许损耗Pd和热阻θja

电路板的散热布局是否充分

发热元件是否过于密集

是否在实际设备上确认了IC表面温度和电路板温度

是否依赖TSD进行常规运行

＜总结＞

电源IC的损耗会转化为热量。

对于LDO，输入电压与输出电压的差值越大，以及输出电流越大，损耗和发热就越显著。

对于DC/DC转换器，可通过效率来估算损耗。虽然效率较高，但在输出电流较大或环境温度较高时，仍需确认发热情况。

在热设计中，结合理论计算、数据手册中的允许损耗与热阻，以及实际设备的温度验证至关重要。

下期预告

第9期｜为什么DC/DC转换器效率高？

本期将介绍作为代表性电源IC的DC/DC转换器的基本构成与种类。

关于特瑞仕半导体株式会社

特瑞仕半导体株式会社(总公司：东京、东证Prime: 6616)从 1995年设立以来，作为日本国内唯一的模拟电源IC的专业厂家，以「Powerfully Small」为产品制造追求的目标，提供增加客户产品的附加值的世界最小级的高效率模拟电源IC以及可以加快客户产品开发的电源设计方案。

特瑞仕的产品以日本国内为首，通过海外6家分公司7处销售点销往世界各地，被广泛用于工业机器，汽车用品，通信，电脑产品，穿戴电子等市场。