【个人经验分享】硬件工程师需要掌握的提高LDO电流输出能力的三种常用方法

关于LDO的输出能力,相比大家都是看规格书来评估的,但是之前的文章我分享过标称100mA输出能力的LDO到底能不能输出100mA,可是有很多限制条件的,我们在选型的时候是一定要注意的,作为硬件工程师,我们要做的就是尽可能提高LDO的输出能力吗,那如何提高呢?
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为了改善LDO的温升,也就是降低其工作温度,我们需要从热管理角度出发,减少功率损耗并提高散热效率。LDO的最大结温Junction Temperature是有限制的,常见的有为125°C,150°C等,当然LDO内部集成了温度传感器,可以实时监测芯片的结温。当结温超过预设的热关断温度,热关断电路被激活。热关断电路会关闭LDO的输出,停止功率输出,从而避免进一步发热。此时,LDO不消耗功率,芯片结温开始下降。当结温降至恢复温度,通常比热关断温度低10℃至20℃,LDO会自动恢复正常工作,重新提供稳定的输出电压。

虽然LDO能保护自己,但是问题是输出也没了,那关键IC比如MCU的供电也没了,那系统不就宕机了,那如何提高LDO的电流输出能力呢?其实问题的核心电流大了,发热就多了,发热多了LDO的温度就高了,所以就是当前散热能力不足,导致结温接近或超过安全阈值,所以我们重点要考虑的就是提高散热能力,进而间接提高LDO的电流输出能力,接下来我们就介绍一下三种提高LDO电流输出能力的方法。

1.增大芯片PCB封装焊盘面积
增大PCB焊盘面积可以增强LDO引脚与PCB之间的热传导能力,增加热量向PCB及其他区域的扩散。焊盘面积越大,热阻Thermal Resistance越低,结温上升幅度越小。通过增加铜箔面积,如使用大面积地平面或热通路,可以显著降低结温至环境温度的热阻。

例如,若RθJA从285°C/W降低到150°C/W,功率损耗PD=(Vin-Vout)·Iout为1W时,温升△T=PD·RθJA可从285°C降至150°C。
在PCB设计中,围绕LDO引脚尤其是输入、输出和接地引脚,布置大面积铜箔,并通过过孔连接到底层的地平面。确保焊盘与PCB的热耦合良好,避免因焊接不良导致热阻增加。

2. 串联电阻分压
在LDO输入端串联一个电阻,降低输入电压Vin,从而减少功率损耗PD=(Vin-Vout)·Iout。功率损耗减少后,结温上升幅度降低。

假设Vin从6V降至5.5V,Vout = 3.3V,Iout = 100 mA,则:
原始功率损耗PD =(6-3.3)*0.1 = 0.27 W。
新功率损耗PD=(5.5-3.3)*0.1=0.22W,减少 0.05 W。
若RθJA = 200°C/W, 温升减少△T = 0.05·200 = 10°C。
结温可能从150℃降至140℃以下,避免触发热关断。

那串联电阻该如何选型呢?
电阻值R=△Vin/Iout=(6-5.5)/0.1=5Ω
还要注意的是要确保电阻功率额定值足够:
P = IoutIoutR= 0.10.15 = 0.05 W。
电阻本身会发热,需妥善散热,这个方法其实就是“乾坤热转移”。
需要注意的是降低Vin可能使LDO接近压差Dropout Voltage范围,影响输出稳定性。这个方法比较适合输入电压较高且有余量的场合。

3.使用大封装
大封装如TO-220、TO-263相比小封装如 SOT-23具有更大的散热面积和更低的热阻RθJA,热阻与封装类型密切相关,大封装可显著降低结温。

假设SOT-23封装RθJA = 285°C/W,而TO-263封装RθJA= 50°C/W,功率损耗1W时:
SOT-23温升△T=1·285=285°C(加上环境温度25°C,结温310°C,远超160°C)。
TO-263温升△T=1·50=50°C(结温75°C,安全范围)。
更换大封装可将结温从150℃降至安全值以下。

所以建议选择与应用电流和功率损耗匹配的封装,如TO-252用于中等功率,TO-220用于高功率。配合散热片或加强PCB散热设计,最大化散热效果。当然增大封装会增加PCB占用空间和成本,需权衡设计需求。

通过增大焊盘面积、使用大封装和串联电阻分压,可以有效降低LDO温升。当然了,大家选择哪个方案取决于具体应用如功率、空间限制,有条件的话,三个方法可以一起用,个人建议要结合热阻计算和实际测试,综合优化散热设计,在提高LDO输出能力的同时,确保LDO在最大结温以下稳定工作。