AMS1117 열 예산: 5 V 및 12 V에서의 접합 온도

이 부품은 1 A 정격입니다. 12 V 입력의 일반적인 보드에서는 약 0.19 A에서 열 한계에 도달하며, 60 °C 주위 온도에서는 약 0.12 A에 가깝습니다.

1. 세 개의 숫자가 모든 것을 결정합니다

선형 레귤레이터에 관한 모든 열 관련 질문은 결국 세 가지 입력으로 귀결됩니다: 입력 전압, 출력 전류, 그리고 실제로 제작한 보드의 접합부-주위 열 저항입니다. 이 세 가지를 알기 전까지는 다른 어떤 것도 중요하지 않습니다.

패키지 소비전력은 전압 차에 부하 전류를 곱한 값에 작은 정지 전류 항을 더한 것입니다:

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

접합부 온도는 다음과 같이 바로 계산됩니다:

Tj = Ta + P x theta_JA

두 상수는 데이터시트에서 가져옵니다. AMS1117-3.3은 최대 접합 온도가125 °C이며 최대 패키지 소비전력은1.2 W추가 구리 없이 SOT-223에서입니다. LM1117 제품군 데이터시트는theta_JA = 61.6 °C/WSOT-223의 JEDEC high-K 보드에서 약104 °C/W최소한의 구리 사용 시.

1.2 W와 61.6 °C/W는 주변 온도가 50 °C 근처일 때만 일관됩니다. 25 °C에서는 동일한 보드가 125 °C에 도달하기 전에 1.62 W를 소산할 수 있습니다. 1.2 W라는 수치는 보수적인 마케팅 숫자일 뿐 물리적 상수가 아닙니다.

2. 라벨에 적힌 1 A가 보드에서 1 A가 아닌 이유

1 A 정격은 전류 제한 사양입니다. 이는 그 순간 1 A가 흐르더라도 실리콘이 손상되지 않는다는 것을 의미합니다. 그로 인해 발생하는 열을 소산하는 동안 부품이 얼마나 오래 견디는지에 대해서는 아무것도 말하지 않습니다.

5 V 입력에서 차이는 1.7 V이므로, 1 A는 1.7 W에 25 mW의 대기 손실을 더한 값을 발생시킵니다. 61.6 °C/W에서는 106 °C 상승입니다 — 25 °C 주변 온도에서 131 °C 접합 온도로, 이미 한계를 넘습니다. 12 V 입력에서 동일한 1 A는 8.7 W를 발생시키며, 이는 구리 포어가 아니라 방열판이 필요합니다.

드롭아웃 여유는 별도의 한계입니다

열 예산은 이야기의 절반에 불과합니다. AMS1117은 약1 A에서의 1.3 V 드롭아웃, 따라서 3.3 V 출력은 부하 상태에서 입력 핀에 최소 4.6 V가 필요합니다. 5 V 레일은 1.7 V의 여유가 있는 것처럼 보이지만, 그 여유는 세 가지에 의해 소모됩니다:

• 레귤레이터 자체의 드롭아웃(최대 전류에서 최대 1.3 V)
• 5 V 레일의 리플, 과도 부하 시 일반적으로 100–300 mV
• 전원과 보드 사이의 케이블 및 커넥터 전압 강하

0.3 A에서는 드롭아웃 요구 조건이 낮아지고, 5 V 입력은 충분합니다. 300 mV 리플이 있는 1 A에서는 유효 입력이 4.6 V까지 떨어질 수 있으며 정전압 조정이 실패하기 시작합니다. 이는 지속적인 과열이 아니라 전류 피크에서의 출력 새그로 나타납니다. 종종 혼동되는 두 가지 서로 다른 고장 모드입니다.

3. 계산 예: 12 V에서 3.3 V로

디스플레이가 있는 Wi-Fi 장치에 0.5 A로 ESP32-class 보드에 전원을 공급하는 12 V 레일을 가정해 보자. 이는 합리적인 부하입니다.

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 °C는 125 °C 한계를 훨씬 초과합니다 — 해당 부품은 그보다 훨씬 전에 열 차단 상태에 들어가고, 이후 식었다가 재시작하고 이를 반복합니다. 관찰되는 동작은 몇 초 동안 작동하다가 부하 상태에서 붕괴하는 전원 공급 장치입니다.

실제 상한을 구하려면 방정식을 역으로 풀어보십시오:

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

이 결과는 반올림 오류가 아닙니다. 낙관적인 61.6 °C/W 보드조차 정격 전류의 19 %를 제공합니다. 최소 동박 보드는 약 11 %를 제공합니다.

4. 계산 예: 5 V에서 3.3 V로

입력을 5 V로 낮추면 상황이 완전히 달라진다. 패스 소자의 양단 전압이 8.7 V에서 1.7 V로 떨어지기 때문이다.

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

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

따라서 12 V에서는 사용할 수 없는 동일한 패키지가 5 V, 0.5 A에서는 충분히 합리적이며, 25 °C 실험실에서 1 A에서는 한계에 가깝다. 해당 보드를 60 °C의 인클로저에 넣으면 1 A 경우는 실패하지만 0.5 A 경우는 여전히 11 °C의 여유가 있다.

5. 구리 면적은 열 설계 구성 요소입니다

사용자가 제어할 수 있는 단일 최대 변수는 커패시터 값이나 부하가 아니라 탭에 연결된 구리입니다. SOT-223 탭은 열 경로입니다: 다이 → 리드 프레임 → 탭 → 구리 → 공기.

중간 행은 데이터시트 값이 아니라 추정치입니다: 공개된 두 조건 사이를 보간하는 것은 설계 계획 단계에서 합리적이지만, 실제로 중요한 숫자는 자체 보드에서 측정한 값뿐입니다.

실무 포인트: 탭을 그 아래에 최소 9개의 열 비아가 있는 구리 포어 위에 배치하고, 포어를 내부 접지면에 연결하며, 실크스크린이나 트레이스로 구리 영역을 절개하지 않도록 하십시오. 1 oz 구리에서 1 in² 포어는 이 패키지에 대해 대략 수확 체감 지점입니다.

비아, 평면 및 1 in² 규칙

탭은 대략 3.5 mm × 2 mm이므로 바로 아래의 구리는 매우 작습니다. 중요한 것은 해당 영역에서 열이 얼마나 빨리 빠져나가는가입니다. 부품 측의 1 in² 포어는 열을 측면으로 확산시키고, 비아 그리드(0.3 mm 드릴, 1 mm 피치)는 열을 내부 평면으로 전달한 뒤 보드 전체로 확산시킵니다.

두 가지 일반적인 실패 패턴이 있습니다. 첫째, 커 보이지만 고립된 포어입니다. 비아가 없는 단일층 패드는 아무리 넓어 보여도 104 °C/W 사례처럼 동작합니다. 둘째, 열적으로는 연결되었지만 전기적으로는 연결되지 않은 포어로, 탭이 평면에 대해 부유 상태가 됩니다.

실무 목표: 상층에서 최소 100 mm²의 탭 구리, 9~16개의 비아, 최소 500 mm²의 평면 연결입니다. 이보다 낮으면 최악 조건의 열 저항을 가정하고 그에 맞게 디레이팅하십시오.

6. 경감 곡선과 안전 동작 영역

두 개의 차트가 한 페이지의 텍스트를 대신합니다. 첫 번째는 고정된 보드에 대해 주변 온도에 따른 최대 연속 전류를 보여 줍니다. 두 번째는 입력 전압과 부하 전류의 두 축을 결합하며, 25, 50, 70 °C 주변 온도별로 별도의 곡선을 제공합니다.

실무 규칙: 125 °C가 아닌 100 °C 접합부를 기준으로 설계하십시오. 마지막 25도는 측정 오차, 인클로저 핫스폿 및 여름철 오후를 위한 것입니다. 이 규칙을 적용하면 12 V 한도가 0.19 A에서 약 0.13 A로 줄어듭니다.

7. 현장에서 실제로 고장 나는 것

이 부품의 열적 고장은 알아볼 수 있는 패턴을 따르며, 두 가지 공개 사례가 이를 잘 설명합니다.

사례 1: 정격 전류보다 훨씬 낮은 전류에서 레귤레이터 파괴

한 설계자는 ESP 모듈과 기타 부하에 전원을 공급하기 위해 AMS1117-3.3을 사용하는 12 V, 3.5 A 홈오토메이션 전원 공급 장치를 제작했는데, 레귤레이터가 정격 전류의 약 3분의 1(출처). 부하는 1 A 이내에 충분히 들어 있었습니다. 고장 원인은 가짜 부품도 커패시터도 아니었습니다 — 거의 구리 배선이 없는 상태에서 패스 소자 양단에 걸린 8.7 V 전압 강하였습니다.

이런 경우 확인할 사항:실제 전류를 측정하고, 10분 후 탭 온도를 측정하고, 소비전력을 계산하십시오. P × 61.6이 이미 100 K를 초과한다면 문제는 실리콘이 아니라 레이아웃입니다.

사례 2: 보드가 따뜻해짐에 따라 출력이 하락

두 번째 사례는 47 µF 출력 커패시터와 작은 납땜형 방열판을 갖춘 12 V 입력을 사용했으며, 부하에서 출력이 눈에 띄게 떨어졌습니다 (출처). 워밍업 후에만 나타나는 출력 하락은 일반적으로 열 차단 사이클링 또는 한계 드롭아웃이지, 레귤레이션 문제가 아닙니다.

경계 조건:이는 보고된 사례일 뿐, 우리가 수행한 측정이 아닙니다. 클론 부품도 편차가 있습니다 — 일부는 드롭아웃이 더 높고 열 특성이 다릅니다 — 따라서 설계를 탓하기 전에 실제 부품 번호와 날짜 코드를 확인하십시오.

사례 3: 보드 두 개, 동일한 회로도, 서로 다른 동작

가장 흔한 보고는 단일 고장이 아니라 불일치입니다: 한 배치의 보드는 온도가 낮게 동작하고, 다른 배치는 브라운아웃됩니다. 회로도는 동일하므로 차이는 보통 네 가지 중 하나입니다 — 탭의 구리 면적, 실제 레귤레이터 벤더, 입력 커패시터의 ESR, 또는 인클로저.

AMS1117-3.3은 여러 공급업체가 서로 다른 부품 번호로 제조하며, 다음과 같이 판매되는 저가 대안도 포함합니다:generic AMS1117-5.0. 드롭아웃과 대기 전류는 벤더마다 동일하지 않습니다. 두 빌드가 다르게 동작하면 설계를 변경하기 전에 두 빌드 모두에서 탭 온도와 드롭아웃을 측정하십시오.

8. LDO, 벅, 또는 2단계

결정은 "어떤 레귤레이터가 더 좋은가"가 아닙니다. "전압 차이와 전류에 어느 것이 맞는가"입니다.

AMS1117을 전혀 사용해서는 안 되는 경우:12 V 또는 24 V 입력에서 부하가 약 100 mA를 초과하는 모든 설계; 공기 흐름이 없는 모든 밀폐형 인클로저; 주변 온도 70 °C에서 작동해야 하는 모든 제품; 그리고 27 % 효율이 허용되지 않는 모든 배터리 구동 장치.

재설계 워크스루: 12 V에서 3.3 V로, 0.5 A

실패 사례에서 시작합니다: 입력 12 V, 출력 3.3 V, 0.5 A, 레귤레이터에서 4.41 W. 이를 해결하는 세 가지 방법과 각 방법이 실제로 발생시키는 손실.

2단 구성 옵션은 효율이 아니라 노이즈를 위한 것입니다. 3.3 V 레일이 ADC나 아날로그 프런트 엔드에 전원을 공급한다면 LDO가 스위칭 리플을 정리합니다. 디지털 로직에만 공급한다면 단일 벅으로 바로 가고 2단은 건너뛰십시오.

한 줄 규칙: (Vin − Vout) × Iout가 약 1 W를 초과하면 데이터시트 라벨에 무엇이라 적혀 있든 선형 레귤레이터는 잘못된 부품입니다.

9. 라벨을 믿지 말고 벤치에서 검증하십시오

‘좋음’이란 어떤 모습인가

올바른 설계는 15–20분 이내에 상승이 멈추고 최악 조건의 주변 온도에서 접합 한계보다 20–30 °C 낮게 유지되는 탭 온도를 보여 줍니다. 20분 후에도 탭 온도가 계속 상승하면 구리가 너무 적거나 부하가 너무 높은 것이며, 더 기다린다고 해결되지 않습니다.

특정 보드에 대한 질문은 다섯 가지 측정으로 해결됩니다.

1. 전부하에서 Vin과 Vout을 계측기로 측정하십시오. 전원장치의 설정값이 아닙니다.
2. 입력 전류를 측정하고 손실 전력을 계산하십시오. 부하만으로 추정하지 마십시오.
3. 열전대를 탭(플라스틱 본체가 아님)에 부착하고 20–30분 동안 기록하십시오.
4. 안정화 후 유효 theta_JA = (Ttab − Ta) / P를 계산하십시오.
5. 실험실이 아닌 실제 사용 환경에서 제품이 겪을 최대 주변 온도에서 반복하십시오.

10. 설계 검토에서 이것을 활용하기

세 가지 질문이 거의 모든 문제를 찾아내며, 회로도와 계산기만 있으면 5분이면 충분합니다.

1. 최대 부하에서 (Vin − Vout) × Iout는 얼마입니까?1 W를 초과한다면, 레이아웃에는 생각보다 더 많은 구리가 필요하거나 부품이 잘못된 것입니다.
2. 인클로저 내부의 최악 조건 주변 온도는 얼마입니까?밀폐된 플라스틱 박스의 경우 실온에 15–20 °C를 더하고, 그 값을 Tj = Ta + P × theta_JA에 사용하십시오.
3. 탭 구리가 실제로 연결되어 있습니까?구리 퍼가 연속적이고, 비아가 있으며, 실크스크린이나 부품 아래를 지나는 트레이스에 의해 끊기지 않았는지 확인하십시오.

그 세 가지 답이 접합부 온도 100 °C 이내에 들어오면 설계는 문제없습니다. 그렇지 않으면 어떤 커패시터 값도 구해 주지 못합니다. 충전 회로의 관련 열 문제에도 동일한 계산이 적용됩니다TP4056 선형 충전기.

수치가 한계에 가까운 경우, 정직한 답은 SOT-223에 방열판을 추가하는 것이 아니라 토폴로지를 바꾸는 것입니다. 다음과 같은 조정 가능한 부품인LM317은(는) 동일한 패키지에서 동일한 열 한계를 가지며 — 한계는 부품 번호가 아니라 패키지입니다.

레귤레이터의 입고 검사 및 위조품 검출에 대해서는 당사의품질 및 추적성 프로세스.

11. FAQ

왜 내 AMS1117은 고작 300mA에서 뜨거워지나요?

발열은 전류만이 아니라 전압 차이에 따라 달라지기 때문입니다. 12V에서 3.3V로 낮출 때 300mA는 2.6W를 소비합니다 — 이는 패키지 정격 1.2W의 두 배입니다. 61.6°C/W에서는 161K 상승입니다.

AMS1117 두 개를 병렬로 연결해 전류를 분담할 수 있나요?

안정적으로는 불가능합니다. 선형 레귤레이터는 설계상 전류를 분담하지 않으며, 설정값이 약간 더 높은 쪽이 거의 모든 전류를 가져갑니다. 병렬 연결에는 밸러스트 저항이나 전용 전류 분담 컨트롤러가 필요하며, 이는 벅 컨버터보다 비용이 더 많이 듭니다.

탭에 작은 방열판을 붙이면 충분한가요?

열 경로가 실제일 때만: 측정된 접촉을 갖는 클립 또는 접착제, 그리고 공기 흐름이 필요합니다. 플라스틱에 접착한 방열판은 아무 효과가 없습니다. 새로운 theta_JA를 계산하고 가정하지 말고 열전대로 검증하십시오.

출력 커패시터를 더 크게 하면 발열에 도움이 됩니까?

아니요. 커패시턴스는 안정성과 과도 응답에 영향을 주며 정상 상태 소산에는 영향을 주지 않습니다. 부하 스텝 동안 피크 접합 온도를 낮출 수는 있지만, 평균은 P = (Vin − Vout) × Iout에 의해 결정됩니다.

12 V 입력에는 무엇으로 교체해야 합니까?

벅 컨버터, 또는 12→5 V 벅 컨버터 뒤에 LDO를 둔 2단 설계입니다. 부하가 100 mA 미만이고 인클로저가 시원하면 AMS1117을 유지할 수 있습니다 — 하지만 먼저 디레이팅 곡선으로 확인하십시오.

AMS1117 두 개를 12 V에서 5 V로, 그다음 5 V에서 3.3 V로 연결할 수 있습니까?

가능하며, 열적으로도 동작합니다: 첫 번째 단은 0.5 A에서 7 V를 강하시키므로 3.5 W입니다 — 여전히 SOT-223에는 너무 많습니다. 강하를 두 개의 선형 부품에 분산해도 총 열은 줄지 않고, 위치만 옮겨질 뿐입니다. 두 단이 필요하다면 첫 번째 단을 스위처로 만드십시오.

12. 출처

• Texas Instruments,LM1117 800-mA 저드롭아웃 선형 레귤레이터— theta_JA 61.6 °C/W(SOT-223, JEDEC), 최소 동박 104 °C/W, Tj 125 °C.
• AMS1117-3.3 데이터시트 — 1 A에서 1.3 V 드롭아웃, 1.2 W 패키지 소산, 125 °C 접합부, 5 mA의 일반적인 정지 전류.
• Electronics StackExchange,AMS1117-3.3 과열 및 최대 전류보다 훨씬 낮은 전류에서 폭발 (2016).
• Electronics StackExchange,AMS1117 3.3 레귤레이터의 심한 전압 강하 (2023).
• Texas Instruments,LDO용 선형 레귤레이터 설계 가이드(SLVA118A) — 열 및 레이아웃 지침.
• Texas Instruments,ESR, 안정성 및 LDO 레귤레이터(SLVA115) — 출력 커패시터 및 안정성 조건.