Budget thermique de l’AMS1117 : température de jonction à 5 V et 12 V

Le composant est spécifié pour 1 A. Sur une carte typique avec une entrée de 12 V, la limite thermique est atteinte à environ 0.19 A — et à 60 °C ambiants, près de 0.12 A.

1. Trois nombres déterminent tout

Toute question thermique concernant un régulateur linéaire revient à trois entrées : la tension d’entrée, le courant de sortie et la résistance thermique jonction-ambiante de la carte que vous avez réellement réalisée. Rien d’autre n’importe tant que ces trois valeurs ne sont pas connues.

La dissipation du boîtier correspond à la différence de tension multipliée par le courant de charge, plus le faible terme de courant de repos :

P = (Vin - Vout) x Iout + Vin x Iq
  = (Vin - 3.3) x Iout + Vin x 0.005

La température de jonction en découle directement :

Tj = Ta + P x theta_JA

Deux constantes proviennent des fiches techniques. L'AMS1117-3.3 est spécifié pour une température de jonction maximale de125 °Cet une dissipation maximale du boîtier de1.2 Wen SOT-223 sans cuivre ajouté. La fiche technique de la famille LM1117 donnetheta_JA = 61.6 °C/Wpour un SOT-223 sur une carte JEDEC high-K, et environ104 °C/Wavec un minimum de cuivre.

Notez que 1.2 W et 61.6 °C/W ne sont cohérents que si la température ambiante est proche de 50 °C. À 25 °C, la même carte pourrait dissiper 1.62 W avant d'atteindre 125 °C. La valeur de 1.2 W est un chiffre marketing prudent, pas une constante physique.

2. Pourquoi 1 A sur l'étiquette n'est pas 1 A sur la carte

La valeur nominale de 1 A est une spécification de limite de courant. Elle indique que le silicium ne sera pas endommagé par un courant de 1 A qui le traverse à cet instant. Elle ne dit rien sur la durée pendant laquelle le composant survit en dissipant la chaleur résultante.

Avec une entrée de 5 V, la différence est de 1.7 V, donc 1 A produit 1.7 W plus 25 mW de pertes au repos. À 61.6 °C/W, cela correspond à une élévation de 106 °C — une jonction à 131 °C pour une température ambiante de 25 °C, déjà au-dessus de la limite. Avec une entrée de 12 V, le même 1 A produit 8.7 W, ce qui nécessiterait un dissipateur thermique, et non un plan de cuivre.

La marge de dropout est une limite distincte

Le budget thermique n'est que la moitié du problème. L'AMS1117 est spécifié avec environ1.3 V de dropout à 1 A, donc une sortie de 3.3 V nécessite au moins 4.6 V sur la broche d'entrée sous charge. Un rail de 5 V semble avoir 1.7 V de marge, mais cette marge est consommée par trois choses :

• La tension de déchet propre au régulateur (jusqu’à 1.3 V à plein courant)
• Ondulation sur le rail 5 V, typiquement 100–300 mV sous charge transitoire
• Chute dans le câble et le connecteur entre l’alimentation et la carte

À 0.3 A, l’exigence de tension de déchet diminue, et une entrée de 5 V est confortable. À 1 A avec une ondulation de 300 mV, l’entrée effective peut descendre à 4.6 V et la régulation commence à échouer — ce qui se manifeste par un affaissement de la sortie lors des pics de courant, et non par une surchauffe constante. Deux modes de défaillance différents, souvent confondus.

3. Exemple de calcul : 12 V vers 3.3 V

Prenez un rail d'alimentation 12 V alimentant une carte de classe ESP32 à 0.5 A. C'est une charge raisonnable pour un appareil Wi-Fi avec écran.

P = (12 - 3.3) x 0.5 + 12 x 0.005
  = 4.35 + 0.06
  = 4.41 W

dT = 4.41 x 61.6 = 272 K
Tj = 25 + 272 = 297 C

297 °C dépasse largement la limite de 125 °C — le composant entre en arrêt thermique bien avant cela, puis refroidit, redémarre et recommence. Le comportement observé est celui d'une alimentation qui fonctionne quelques secondes puis s'effondre en charge.

Inversez l'équation pour obtenir le plafond réel :

Imax = [ (Tjmax - Ta) / theta_JA - Vin x Iq ] / (Vin - Vout)

Ta = 25 C:  [ (125-25)/61.6 - 0.06 ] / 8.7 = 0.186 A
Ta = 60 C:  [ (125-60)/61.6 - 0.06 ] / 8.7 = 0.120 A

Le résultat n'est pas une erreur d'arrondi. Même la carte optimiste à 61.6 °C/W ne donne que 19 % du courant nominal. Une carte à cuivre minimal donne environ 11 %.

4. Exemple de calcul : 5 V à 3.3 V

Faites passer l'entrée à 5 V et la situation change complètement, car la tension aux bornes de l'élément de passage chute de 8.7 V à 1.7 V.

Iout = 0.5 A :  P = 1.7 x 0.5 + 0.025 = 0.88 W
              dT = 54 K   -> Tj = 79 C à 25 C, 114 C à 60 C

Iout = 1.0 A :  P = 1.7 x 1.0 + 0.025 = 1.73 W
              dT = 106 K  -> Tj = 131 C à 25 C (échec)

Ainsi, le même boîtier qui est inutilisable à partir de 12 V est tout à fait raisonnable à 5 V à un demi-ampère, et marginal à 1 A dans un laboratoire à 25 °C. Placez cette carte dans une enceinte à 60 °C et le scénario à 1 A échoue, tandis que celui à 0.5 A conserve encore 11 °C de marge.

5. La surface de cuivre est un composant thermique

La plus grande variable que vous contrôlez n'est pas la valeur du condensateur ni la charge — c'est le cuivre attaché à la languette. La languette du SOT-223 constitue le chemin thermique : puce → cadre de connexion → languette → cuivre → air.

La ligne du milieu est une estimation, et non une valeur de fiche technique : interpoler entre les deux conditions publiées est raisonnable pour la planification, mais le seul chiffre qui compte est celui que vous mesurez sur votre propre carte.

Points pratiques : placez la patte thermique sur une zone de cuivre avec au moins neuf vias thermiques en dessous, reliez la zone de cuivre à un plan de masse interne et évitez de découper le cuivre avec la sérigraphie ou des pistes. Une zone de cuivre de 1 in² sur du cuivre de 1 oz correspond à peu près au point de rendements décroissants pour ce boîtier.

Vias, plans et règle du 1 in²

La languette mesure environ 3,5 mm × 2 mm, le cuivre situé immédiatement dessous est donc minuscule. Ce qui compte, c’est la rapidité avec laquelle la chaleur quitte cette zone. Un plan de cuivre de 1 in² côté composant répartit la chaleur latéralement ; une grille de vias (perçage 0,3 mm, pas 1 mm) la transfère vers un plan interne, qui la répartit ensuite sur toute la carte.

Deux modes de défaillance sont courants. Premièrement, une zone de cuivre qui paraît grande mais qui est isolée — une pastille monocouche sans vias se comporte comme le cas à 104 °C/W, quelle que soit sa largeur apparente. Deuxièmement, une zone de cuivre reliée thermiquement mais pas électriquement, ce qui laisse la languette flottante par rapport au plan.

Un objectif pratique : au moins 100 mm² de cuivre de languette sur la couche supérieure, neuf à seize vias, et une connexion à un plan d’au moins 500 mm². En dessous, partez de l’hypothèse de la résistance thermique la plus défavorable et appliquez un déclassement en conséquence.

6. Courbes de déclassement et zone de fonctionnement sûr

Deux graphiques remplacent une page de texte. Le premier donne le courant continu maximal en fonction de l'ambiance pour une carte fixe. Le second combine les deux axes : tension d'entrée et courant de charge, avec des courbes distinctes pour 25, 50 et 70 °C d'ambiance.

Règle de travail : concevez pour une jonction à 100 °C, pas 125 °C. Les 25 derniers degrés servent à l'erreur de mesure, aux points chauds du boîtier et aux après-midi d'été. L'application de cette règle fait passer la limite 12 V de 0.19 A à environ 0.13 A.

7. Ce qui lâche réellement sur le terrain

Les défaillances thermiques de cette pièce suivent un schéma reconnaissable, et deux cas publics le décrivent bien.

Cas 1 : détruire le régulateur bien en dessous de son courant nominal

Un concepteur a réalisé une alimentation domotique de 12 V, 3.5 A alimentant un module ESP et d'autres charges via un AMS1117-3.3, et le régulateur est tombé en panne à répétition à environ un tiers de son courant nominal (source). La charge était bien en dessous de 1 A. La défaillance n'était pas due à une pièce contrefaite ni au condensateur — c'était la chute de 8.7 V aux bornes de l'élément de passage avec presque aucun cuivre.

Ce qu'il faut vérifier lorsque vous constatez cela :mesurez le courant réel, mesurez la température de la languette après 10 minutes et calculez la dissipation. Si P × 61.6 dépasse déjà 100 K, le problème vient de la conception du circuit imprimé, pas du silicium.

Cas 2 : la sortie chute à mesure que la carte chauffe

Un second cas utilisait une entrée de 12 V avec un condensateur de sortie de 47 µF et un petit dissipateur thermique soudé ; la sortie a chuté de manière notable en charge (source) . Une chute de sortie qui n'apparaît qu'après la montée en température est généralement due à un cyclage de protection thermique ou à une tension de déchet limite, pas à un problème de régulation.

Condition limite :il s'agit de cas signalés, et non de mesures que nous avons réalisées. Les composants clonés varient également — certains ont une tension de déchet plus élevée et un comportement thermique différent —, alors vérifiez le numéro de pièce réel et le code date avant de mettre en cause la conception.

Cas 3 : deux cartes, même schéma, comportement différent

Le rapport le plus courant n'est pas une défaillance unique mais une incohérence : un lot de cartes reste froid, un autre subit une chute de tension. Le schéma est identique, la différence tient donc généralement à l'une de quatre choses — la surface de cuivre sur le tab, le fabricant réel du régulateur, l'ESR du condensateur d'entrée ou le boîtier.

L'AMS1117-3.3 est fabriqué par plusieurs fournisseurs sous différents numéros de référence, y compris des alternatives à bas coût vendues commeAMS1117-5.0 générique. Le dropout et le courant de repos ne sont pas identiques d'un fournisseur à l'autre. Si deux fabrications se comportent différemment, mesurez la température du tab et le dropout sur les deux avant de modifier la conception.

8. LDO, buck ou deux étages

La décision n’est pas « quel régulateur est meilleur ». C’est « lequel correspond à la différence de tension et au courant ».

Qui ne doit pas du tout utiliser l'AMS1117 :toute conception avec une entrée de 12 V ou 24 V et une charge supérieure à environ 100 mA ; tout boîtier scellé sans circulation d'air ; tout produit devant fonctionner à une température ambiante de 70 °C ; et tout appareil alimenté par batterie pour lequel un rendement de 27 % est inacceptable.

Exemple de refonte : 12 V vers 3.3 V à 0.5 A

Partez du cas défaillant : 12 V en entrée, 3.3 V en sortie, 0.5 A, 4.41 W dans le régulateur. Trois façons de corriger, avec la perte que chacune produit réellement.

L’option à deux étages existe pour le bruit, pas pour l’efficacité. Si le rail 3.3 V alimente un ADC ou un front-end analogique, le LDO nettoie l’ondulation de commutation. S’il n’alimente que de la logique numérique, utilisez directement un seul buck et sautez le second étage.

La règle en une ligne : lorsque (Vin − Vout) × Iout dépasse environ 1 W, un régulateur linéaire est le mauvais composant, quel que soit ce qu’indique l’étiquette de la fiche technique.

9. Vérifiez sur le banc plutôt que de faire confiance à l’étiquette

À quoi ressemble un « bon » résultat

Une conception correcte présente une température de languette qui cesse d’augmenter dans les 15–20 minutes et reste 20–30 °C sous la limite de jonction dans les conditions ambiantes les plus défavorables. Si la température de languette continue d’augmenter après 20 minutes, le cuivre est trop petit ou la charge est trop élevée — attendre plus longtemps n’y changera rien.

Cinq mesures tranchent la question pour une carte spécifique.

1. Mesurez Vin et Vout à pleine charge avec un multimètre, et non la consigne de l'alimentation.
2. Mesurez le courant d'entrée et calculez la dissipation ; ne la déduisez pas uniquement de la charge.
3. Fixez un thermocouple sur la languette (pas sur le corps plastique) et enregistrez pendant 20–30 minutes.
4. Calculez le theta_JA effectif = (Ttab − Ta) / P après stabilisation.
5. Répétez à la température ambiante maximale que le produit rencontrera en service, et non au laboratoire.

10. Utiliser ceci lors d'une revue de conception

Trois questions permettent de détecter presque tous les problèmes, et elles ne prennent que cinq minutes avec un schéma et une calculatrice.

1. Quelle est la valeur de (Vin − Vout) × Iout à charge maximale ?Si elle dépasse 1 W, l'implantation nécessite plus de cuivre que vous ne le pensez, ou le composant est inadapté.
2. Quelle est la température ambiante la plus défavorable à l'intérieur du boîtier ?Ajoutez 15–20 °C à la température ambiante de la pièce pour un boîtier plastique fermé, et utilisez cette valeur dans Tj = Ta + P × theta_JA.
3. Le cuivre de la languette est-il réellement connecté ?Vérifiez que le plan de cuivre est continu, comporte des vias et n'est pas interrompu par la sérigraphie ou par une piste qui passe sous le composant.

Si ces trois réponses permettent de rester sous une température de jonction de 100 °C, la conception est correcte. Sinon, aucune valeur de condensateur ne la sauvera. Pour les problèmes thermiques associés dans les circuits de charge, le même calcul s'applique àChargeurs linéaires TP4056.

Lorsque les chiffres sont marginaux, la réponse honnête est de changer de topologie, et non d’ajouter un dissipateur thermique à un SOT-223. Un composant réglable tel que leLM317a le même plafond thermique dans le même boîtier — c’est le boîtier, et non la référence du composant, qui constitue la limite.

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11. FAQ

Pourquoi mon AMS1117 chauffe-t-il à seulement 300 mA ?

Parce que la chaleur dépend de la différence de tension, pas du courant seul. De 12 V à 3,3 V, 300 mA dissipent 2,6 W — soit le double des 1,2 W nominaux du boîtier. À 61,6 °C/W, cela représente une élévation de 161 K.

Puis-je mettre deux AMS1117 en parallèle pour partager le courant ?

Pas de manière fiable. Les régulateurs linéaires ne partagent pas le courant par conception ; celui dont la consigne est légèrement plus élevée prend presque tout. La mise en parallèle nécessite des résistances de ballast ou un contrôleur dédié de partage de courant, ce qui coûte plus cher qu'un convertisseur abaisseur.

Un petit dissipateur thermique sur la languette suffit-il ?

Uniquement si le chemin thermique est réel : un clip ou un adhésif avec un contact mesuré, plus une circulation d’air. Un dissipateur collé sur du plastique ne sert à rien. Calculez le nouveau theta_JA et vérifiez avec un thermocouple plutôt que de le supposer.

Un condensateur de sortie plus gros aide-t-il à réduire l’échauffement ?

Non. La capacité influence la stabilité et la réponse transitoire, pas la dissipation en régime permanent. Elle peut réduire la température de jonction de crête lors des échelons de charge, mais la moyenne est fixée par P = (Vin − Vout) × Iout.

Par quoi faut-il le remplacer pour une entrée de 12 V ?

Un convertisseur abaisseur, ou une conception à deux étages avec un abaisseur 12→5 V suivi du LDO. Si la charge est inférieure à 100 mA et que le boîtier est froid, l’AMS1117 peut rester — mais vérifiez d’abord avec la courbe de déclassement.

Puis-je mettre en cascade deux AMS1117, 12 V vers 5 V puis 5 V vers 3.3 V ?

C'est possible, et cela fonctionne thermiquement : le premier étage chute 7 V à 0.5 A, soit 3.5 W — encore trop pour un SOT-223. Répartir la chute sur deux composants linéaires ne réduit pas la chaleur totale, cela ne fait que la déplacer. Si vous avez besoin de deux étages, faites du premier un convertisseur à découpage.

12. Sources

• Texas Instruments,Régulateur linéaire à faible chute de tension LM1117 800 mA— theta_JA 61.6 °C/W (SOT-223, JEDEC), 104 °C/W avec cuivre minimal, Tj 125 °C.
• Fiche technique AMS1117-3.3 — chute de tension de 1.3 V à 1 A, dissipation de 1.2 W dans le boîtier, jonction à 125 °C, courant de repos typique de 5 mA.
• Electronics StackExchange,Surchauffe et claquage de l'AMS1117-3.3 bien en dessous du courant maximal (2016).
• Electronics StackExchange,Chute de tension importante du régulateur AMS1117 3.3 (2023).
• Texas Instruments,Guide de conception des régulateurs linéaires pour les LDO(SLVA118A) — conseils thermiques et d'implantation.
• Texas Instruments,ESR, stabilité et régulateur LDO(SLVA115) — condensateur de sortie et conditions de stabilité.