LM317-varme: effekttab, kølepladedimensionering og 3 V-reglen

LM317 er en 1.5 A-regulator, der ikke kan levere 1.5 A fra 15 V uden en køleplade, der er større end printkortet. Kølepladens størrelse fastlægges af én ligning, og headroom-reglen fanger to almindelige designfejl.

1. 3 V-reglen og 5 V-fælden

LM317 er en justerbar regulator med en 1.25 V-reference og en minimumsudgang på 1.25 V. Dens serieelement er en Darlington-lignende NPN, hvilket betyder, at det kræver ekstra spændingsmargen: databladet angiver, at enheden kræver op til 3 V mellem indgang og udgang for at forblive i regulering.

Vout = 3.3 V  ->  Vin >= 3.3 + 3.0 = 6.3 V
Vout = 5.0 V  ->  Vin >= 8.0 V
Vout = 12 V   ->  Vin >= 15 V

Dette er den første fælde: en 5 V-skinne, der forsyner en LM317 indstillet til 3.3 V, er uden for den specificerede driftsbetingelse. Den kan producere noget tæt på 3.3 V ved let belastning og kollapse under belastning eller ved lav temperatur, og fejlen ligner et termisk problem, fordi komponenten også er varm.

Den anden fælde er temperaturen. Dropout stiger ved yderpunkterne; den typiske kurve er omkring 2.2 V ved 25 °C og nær 2.5 V ved −50 °C og 150 °C. Designer man til præcis 3 V, er der ingen margen til en kold start.

Hvorfor spændingsmarginen er så stor

Pass-elementet er en Darlington: to base-emitter-overgange i serie plus strømkilden, der driver dem. Det er derfor, den mindste differensspænding er cirka 2 V af overgangsspændingsfald plus faldet over modstanden, der indstiller strømmen, og derfor den er specificeret til 3 V i stedet for 0.3 V som i en moderne LDO.

Den samme Darlington er grunden til, at komponenten er robust: den overlever inputtransienter og udgangskortslutninger, som ville ødelægge en lavspændings-LDO. Prisen er spændingsmargin og effekttab — et bevidst valg i det oprindelige design, ikke en fejl.

Minimumsbelastning

LM317 er ikke en egentlig low-dropout-regulator, og den har brug for en minimumsbelastningsstrøm for at holde tilbagekoblingssløjfen i regulering. Databladet angiver dette, og det er typisk nogle få milliampere. Hvis belastningen kan falde til nul — et relæ, der er slukket, en mikrokontroller i dyb søvn — skal der tilføjes en permanent bleed-modstand ved udgangen, ellers vil spændingen stige.

Der er også en absolut grænse for differensspændingen: enheden er specificeret til 40 V mellem indgang og udgang, og indgangen skal forblive under 40 V. En 36 V-skinne, der forsyner en 1.25 V-udgang, er 34.75 V differens og 30 W ved 1 A — elektrisk tilladt, termisk umuligt.

2. Effekttab: ligningen, der afgør alt

P = (Vin - Vout) x Iout + Vin x Iq

Iq ~ 5 mA (biasstrøm, løber til udgangen)
12 V ind, 5 V ud, 0.5 A:
P = 7 x 0.5 + 0.06 = 3.56 W

Biasstrømmen er lille, men ikke ubetydelig ved høj indgangsspænding: 12 V × 5 mA er 60 mW, ca. 2 % af den samlede effekt i dette eksempel og irrelevant ved 1 A. Den har betydning, når belastningen er let, og indgangen er høj, hvilket også er, når en lineær regulator er mindst effektiv.

Bemærk, at biasstrømmen løber ud ad ADJUST-benets sti og ind i belastningen, så den spildes ikke på samme måde som en fast regulators jordstrøm — men den kommer stadig fra indgangen og bidrager stadig til effekttabet.

Hvor varmen faktisk går hen

I en TO-220 er die monteret på metalfanen. Varmen bevæger sig die → fane → (kølepasta) → køleprofil → luft. Uden en køleprofil er fanen køleprofilen, og det tal, der betyder noget, er RθJA, ikke RθJC.

Det er derfor, at "den har en metalfane, så det går nok" ikke er et argument. En TO-220 uden køleprofil har en junction-til-omgivelser-modstand på omkring 23.5–38 °C/W afhængigt af printkortet og luftstrømmen; ved 3.5 W er det stadig en stigning på 90–130 K.

3. Dimensionering af køleprofil: fire termiske modstande i serie

Varmen strømmer fra junction til kapsel, fra kapsel til køleprofil og fra køleprofil til luft:

Tj = Ta + P x (RthJC + RthCS + RthSA)

RthJC  junction-til-kapsel, fra databladet
RthCS  kapsel-til-køleplade, ~0.5 C/W med kølepasta
RthSA  køleplade-til-omgivelser, den køleplade du vælger

RthSA <= (Tjmax - Ta)/P - RthJC - RthCS

Omgivelsestemperaturen er den variabel, som folk undervurderer. Det samme 3.56 W-design i en 5 °C/W-køleplade giver en junctiontemperatur på 116 °C ved 40 °C, 131 °C ved 55 °C og 146 °C ved 70 °C. Et lukket kabinet ved 55 °C omgivelsestemperatur er ikke usædvanligt for industrielle produkter, og det er nok til at få dette design til at fejle.

For 3.56 W i en TO-220 skal θSA være 7.5 °C/W for at forblive på 125 °C ved 40 °C omgivelsestemperatur og ca. 0.5 °C/W for at forblive på 100 °C. Den første er en lille clip-on-køleplade; den anden er en chassis-monteret ekstruderet køleprofil. Det er nu, man skal spørge, om en buck-konverter er et bedre svar.

Monteringsdetaljer, der ændrer tallet

• Termisk pasta: et tyndt, jævnt lag. For meget er værre end for lidt; grænseflademodstanden er specificeret med en hulrumsfri samling.
• Isolator: en glimmer- eller sil-pad-skive tilføjer 0.5–2 °C/W og er påkrævet, når tappen ikke må være på udgangspotentialet.
• Monteringsmoment: følg databladet. For lavt moment efterlader hulrum; for højt moment kan knække chippen.
• Luftstrømning: naturlig konvektion giver databladets tal; en blæser ændrer dem med en faktor to eller mere, hvilket er grunden til, at en blæserafkølet test ikke er en produkttest.

4. Gennemregnede eksempler

5. Effektivitet: hvorfor kølepladen findes

En lineær regulators effektivitet er cirka Vout/Vin:

5 V ud fra 12 V ind:   42 %
5 V ud fra 9 V ind:    56 %
12 V ud fra 15 V ind:  80 %
3.3 V ud fra 6.3 V:   52 %

Det er derfor, at den samme regulator er helt rimelig til en 15→12 V-skinne ved 0.5 A (1.5 W) og urimelig til 12→5 V ved 1 A (7 W). Kapslen ændrede sig ikke; det gjorde spændingsforskellen.

To-trins-kompromiset

Hvis belastningen kræver lav støj, og indgangen er 12 V, er en buck-konverter efterfulgt af en LM317 ofte det bedste svar: buck-konverteren sænker det meste af spændingen effektivt, og det lineære trin fjerner switchripplen med et lille effekttab.

12 V -> buck 88 % -> 6.8 V -> LM317 -> 5 V ved 0.5 A

Buck-tab:  1.65/0.88 - 1.65 = 0.23 W
LDO-tab:   (6.8 - 5) x 0.5 = 0.90 W
I alt:      1.13 W i stedet for 3.56 W

Det lineære trin kræver stadig en lille køleplade, men kun en brøkdel af størrelsen, og udgangsstøjen bestemmes af regulatoren frem for switchregulatoren.

At læse bænkresultaterne korrekt

Mål på fanen, ikke på plastikken. Med et termoelement på fanen er junction-temperaturen højere med P × RθJC — ca. 57 K ved 3.56 W for en TO-220. En fane på 70 °C kan betyde en junction nær 127 °C, som allerede er på grænsen.

Mål også ved den reelle omgivelsestemperatur. Et board på en bænk ved 23 °C i åben luft er ikke det samme som et board i en lukket boks ved 55 °C, og forskellen er større end enhver tolerance i køleplade-databladet.

6. Fejltilstande værd at genkende

• Termisk nedlukningscykling: udgangen kollapser hvert par sekunder under belastning. Komponenten beskytter sig selv; designet dissiperer for meget.
• Dropout, ikke varme: udgangen falder kun ved høj strøm eller kulde. Indgangen er under Vout + 3 V.
• Svingning: manglende udgangskondensator eller en lang indgangsledning. LM317 kræver en udgangskondensator for stabilitet og en indgangsbypass, hvis filteret er langt væk.
• Adjust-ben flydende: udgangen stiger mod Vin. Enheden er beskyttet, men belastningen er ikke.
• Forkert modstandsforhold: Vout = 1.25 × (1 + R2/R1) + Iadj × R2. Justeringsstrømmen på 50 µA tilføjer en lille fejl, der vokser med R2.

Beskyttelsesdioder

Hvis udgangen har en stor kondensator, og indgangen kan kortsluttes eller fjernes, mens udgangen forbliver opladet, skal du tilføje en omvendt diode fra udgang til indgang. Ellers aflades kondensatoren gennem regulatorens interne overgang, hvilket er en vej, som databladet advarer imod.

Det samme gælder for ADJ-benet, når der er monteret en bypass-kondensator: en diode fra ADJ til udgangen forhindrer kondensatoren i at aflade ind i justerbenet under et hurtigt udgangsstyrt. Det er to billige dioder, der forhindrer en fejltilstand, som ligner en tilfældigt død regulator.

7. Hvornår man bør stoppe med at anvende en lineær regulator

8. Verificering af designet på testbænken

VoresLM317DCYRfindes på lager i SOT-223 til lavstrømsbrug; til montering på kølelegeme vælges TO-220-kapslen, og θSA dimensioneres ud fra ligningen ovenfor. Flere lineære regulatorer er opført iSortiment af LDO- og lineære regulatorer, og voressporbarhedsprocesdækker datokode- og batchkontrol af indgående regulatorer.

For et alternativ med lavere strøm i samme familie,LM317L i SOIC-8er begrænset til 100 mA og har en anden termisk vej — kontroller kapslen, før du erstatter den ud fra navnet.

9. FAQ

Kan LM317 køre fra 5 V for at lave 3.3 V?

Ikke inden for specifikationen. Den kræver ca. 3 V headroom, så 3.3 V udgang kræver mindst 6.3 V indgang. Fra 5 V vil den falde ud af regulering under belastning eller når den er kold.

Hvor varmt er for varmt for kapslen?

Design til 100 °C junction, og betragt 125 °C som den absolutte driftsgrænse. Kapseltemperaturen vil være P × RθJC lavere end junctiontemperaturen, hvilket er grunden til, at måling på fanen er mere nyttig end at røre ved plastikken.

Skal jeg bruge en køleplade ved 0.5 A?

Det afhænger af spændingsforskellen, ikke strømmen. Fra 9 V til 5 V ved 0.5 A (2 W) er en lille påklipslet køleplade nok; fra 12 V til 5 V ved 1 A (7 W) redder ingen praktisk køleplade designet.

Hvorfor stiger udgangen, når justeringsbenet er åbent?

Regulatoren regulerer de 1.25 V mellem udgang og adjust. Når benet er svævende, er tilbagekoblingssløjfen brudt, og udgangen stiger mod indgangen. Komponenten overlever; belastningen måske ikke.

Er en større udgangskondensator nok til stabilitet?

Normalt ja, men databladet angiver et interval. En for lille værdi kan oscillere, og ekstremt store kondensatorer med lav ESR kan også give problemer med nogle varianter. Følg den anbefalede værdi, og placér den tæt på udgangsbenet.

Hvad erstatter en LM317 i et 12 V-system?

En buck-konverter til hovedspændingsskinnen, eventuelt efterfulgt af en lineær regulator til en støjsvag analogdel. To-trins-tilgangen holder effektiviteten høj og støjen lav.

Hvorfor har LM317 brug for en udgangskondensator?

Uden en kan feedbacksløjfen oscillere, især ved lange indgangsledninger. Databladet angiver en anbefalet værdi; kondensatoren skal placeres tæt på udgangsbenet, og en lille ADJ-bypasskondensator forbedrer rippleafvisningen.

Kan jeg parallelkoble to LM317'er for at få mere strøm?

Ikke direkte. Som andre lineære regulatorer deler de ikke strømmen jævnt. Der kræves ballastmodstande eller en dedikeret strømfordelingsordning, og en switchregulator er normalt det enklere svar.

10. Kilder

• Texas Instruments,LM317 3-bens justerbar regulator-datablad— 1.5 A, 1.25–37 V, 3 V spændingsmargin, RθJA/RθJC pr. kapsel, termisk overbelastningsbeskyttelse.
• Texas Instruments,Designguide til lineære regulatorer for LDOs(SLVA118A) — termisk og layoutmæssig vejledning.
• Texas Instruments,ESR, stabilitet og LDO-regulatoren(SLVA115) — kondensator- og stabilitetsbetingelser.