คำนวณความร้อนของตัวควบคุมแรงดันเชิงเส้น

ตัวควบคุมแรงดันเชิงเส้นที่ระบุจ่ายกระแสได้ตามความต้องการ อาจยังทำงานต่อเนื่องไม่ได้ถ้าต้องทิ้งส่วนต่างแรงดันเป็นความร้อนมากเกินไป พิกัดกระแสกับข้อจำกัดความร้อนจึงต้องตรวจพร้อมกัน การคำนวณเบื้องต้นช่วยตัดสินว่าควรลดแรงดันก่อนเข้า เปลี่ยนแพ็กเกจ หรือปรับทางระบายความร้อน บทความนี้ใช้รางจ่ายสาธิตแรงดันต่ำ ไม่ใช่คำแนะนำจ่ายไฟเข้ากล่องยานยนต์

กำลังที่หายไประหว่างอินพุตกับเอาต์พุตไปอยู่ที่ใด

ตัวควบคุมเชิงเส้นใช้ชิ้นส่วนผ่านกระแสปรับแรงดันตกให้เอาต์พุตอยู่ตามเป้าหมาย กำลังสูญเสียหลักประมาณเป็น (Vin − Vout) × Iout และยังมีกำลังจากกระแสที่วงจรควบคุมใช้เอง หากกระแสเข้ากับออกต่างกันด้วยกระแสกราวด์ Ig แบบคงที่ จะเขียนกำลังรวมได้เป็น Vin × (Iout + Ig) − Vout × Iout หรือเท่ากับ (Vin − Vout) × Iout + Vin × Ig ต้องเลือกค่ากระแสกราวด์ตามภาระและเงื่อนไขจริง

ชื่อว่าตัวควบคุมแรงดันตกต่ำไม่ได้หมายความว่าความร้อนต่ำเสมอไป คำนี้อธิบายส่วนต่างแรงดันขั้นต่ำที่ยังคุมได้ ถ้าป้อนไฟสูงกว่าเอาต์พุตมาก กำลังส่วนต่างยังเปลี่ยนเป็นความร้อนตามกระแสเหมือนตัวควบคุมเชิงเส้นอื่น การใช้รุ่นแรงดันตกต่ำกับอินพุตสูงจึงไม่ได้แก้ปัญหาประสิทธิภาพด้วยตัวมันเอง

1. 1
   ส่วนต่างไฟ

   กำลังหลักประมาณ (Vin − Vout) × Iout และเพิ่ม Vin × Ig เมื่อกระแสควบคุมมีนัยสำคัญ

2. 2
   ทางออกความร้อน

   แพ็กเกจ แผ่นรอง ทองแดง และอากาศกำหนดความสามารถระบายในบอร์ดนั้น

3. 3
   อุณหภูมิรอยต่อ

   การใช้ RθJA เป็นการประมาณตามเงื่อนไขบอร์ด ไม่ใช่ค่าที่ใช้เหมือนกันได้ทุกชุดประกอบ

พิกัดกระแสและความสามารถระบายความร้อนเป็นข้อจำกัดที่ต้องผ่านพร้อมกัน

สถานการณ์สมมติ: ลดเก้าโวลต์เหลือสามจุดสามโวลต์

สมมติรางสาธิตต้องการ 3.3 โวลต์ที่ 0.10 แอมป์จากอินพุต 9 โวลต์ และกระแสวงจรควบคุมเล็กจนละเลยชั่วคราว กำลังสูญเสียคือ (9 − 3.3) × 0.10 = 0.57 วัตต์ กำลังโหลดคือ 0.33 วัตต์ ขณะที่กำลังเข้าประมาณ 0.90 วัตต์ จึงมีประสิทธิภาพประมาณ 36.7 เปอร์เซ็นต์ในแบบจำลองนี้ แม้โหลดใช้พลังงานไม่มาก แต่ความร้อนที่ไอซีต้องระบายมากกว่ากำลังที่โหลดใช้

สมมติค่าความต้านทานความร้อนจากรอยต่อสู่อากาศที่เหมาะกับบอร์ดตัวอย่างเป็น 100 องศาเซลเซียสต่อวัตต์ จะคาดอุณหภูมิรอยต่อเพิ่มประมาณ 57 องศา หากอากาศแวดล้อม 40 องศา จะได้รอยต่อประมาณ 97 องศาเซลเซียส ค่าความต้านทานความร้อนนี้เป็นสมมติฐาน ไม่ใช่ค่ามาตรฐานทุกแพ็กเกจ และผลนี้ยังไม่ใช่การรับรองว่าบอร์ดจริงผ่าน เพราะทางเดินความร้อนจริงอาจแตกต่าง

ค่าความร้อนในเอกสารผูกกับบอร์ดและตำแหน่งอ้างอิง

RθJA มักมาจากเงื่อนไขบอร์ดทดสอบและการไหลของอากาศที่กำหนด จึงไม่ใช่ค่าคงที่ของไอซีที่ย้ายไปบอร์ดใดก็เท่าเดิม พื้นที่ทองแดง จำนวนชั้น รูถ่ายเทความร้อน แผ่นรองใต้ตัว และความร้อนชิ้นส่วนข้างเคียงมีผล ถ้านำค่าบอร์ดมาตรฐานที่ระบายดีไปใช้กับแผ่นทดลองพื้นที่เล็ก อาจประเมินอุณหภูมิต่ำเกินจริง ต้องอ่านเงื่อนไขแพ็กเกจและการจัดวางร่วมกับตัวเลข

อุณหภูมิผิวบนแพ็กเกจก็ไม่ใช่อุณหภูมิรอยต่อโดยตรง และ RθJC ไม่ใช่ตัวเลขที่นำไปคูณกำลังรวมแล้วบวกผิวได้เสมอ เพราะนิยามอาจตั้งเงื่อนไขให้ความร้อนไหลผ่านทางหนึ่งเป็นหลัก หากต้องประมาณจากอุณหภูมิผิวหรือบอร์ด ควรใช้ค่าพารามิเตอร์ที่ผู้ผลิตแนะนำ เช่นค่าที่สัมพันธ์กับตำแหน่งวัดนั้นและวิธีติดหัววัด การแยกชื่อค่าความร้อนช่วยป้องกันคำตอบที่ดูแม่นแต่ใช้สมมติฐานผิด

1. 1
   อินพุต 9 โวลต์

   กำลังสูญเสีย (9 − 3.3) × 0.10 = 0.57 วัตต์

2. 2
   ประมาณความร้อน

   ถ้า RθJA สมมติ 100°C/W อุณหภูมิรอยต่อเพิ่มประมาณ 57°C

3. 3
   อากาศ 40°C

   รอยต่อที่ประมาณได้เป็น 97°C ภายใต้สมมติฐานทางความร้อนนั้น

4. 4
   ลดอินพุตเป็น 5

   กำลังเหลือ (5 − 3.3) × 0.10 = 0.17 วัตต์ แต่ยังต้องตรวจแรงดันเผื่อให้คุมเอาต์พุตได้

ตัวอย่างสมมติเอาต์พุต 3.3 โวลต์ 0.10 แอมป์ และละเลยกระแสควบคุม

วิธีนำไปใช้ลดความร้อนอย่างมีเหตุผล

1. คำนวณกำลังที่อินพุตสูงสุดและกระแสสูงสุด รวมกระแสควบคุมเมื่อมีนัยสำคัญ และแยกภาระต่อเนื่องจากภาระชั่วคราว
2. อ่านช่วงอุณหภูมิใช้งานของรหัสจริง แล้วประเมินอุณหภูมิรอยต่อด้วยข้อมูลความร้อนที่สอดคล้องกับบอร์ด
3. หากกำลังสูงเกินเหมาะสม ให้ลดแรงดันอินพุตก่อนถึงตัวควบคุมหรือเลือกโครงสร้างจ่ายไฟอื่น โดยยังเหลือแรงดันเผื่อพอคุมเอาต์พุต
4. จัดแผ่นทองแดงและแผ่นรองความร้อนตามข้อมูลผู้ผลิต ตรวจว่าจุดใต้แพ็กเกจต้องต่อศักย์ใดก่อนออกแบบ
5. วัดอุณหภูมิและแรงดันบนบอร์ดจริงภายใต้ภาระที่กำหนดจนแนวโน้มคงที่ โดยใช้แหล่งจ่ายจำกัดกระแสและหยุดหากร้อนผิดคาด

ในโจทย์เดิม ถ้าลดอินพุตเป็น 5 โวลต์และยังมีส่วนต่างพอสำหรับตัวควบคุม กำลังสูญเสียจะเหลือ (5 − 3.3) × 0.10 = 0.17 วัตต์ ลดจากเดิม 0.40 วัตต์ การแก้ที่ส่วนต่างแรงดันจึงเปลี่ยนภาระได้มาก แต่ต้องดูแรงดันต่ำสุดขณะมีริปเปิลและโหลดเปลี่ยนด้วย การลดจนชิดเอาต์พุตเกินไปอาจทำให้ตัวควบคุมหลุดจากการรักษาแรงดัน แม้ความร้อนลดลงก็ตาม

ข้อผิดพลาดของการรอให้ระบบตัดร้อนเป็นเกณฑ์ผ่าน

ระบบตัดเมื่อร้อนเป็นการป้องกันในภาวะผิดปกติ ไม่ใช่อุณหภูมิเป้าหมายสำหรับใช้งานต่อเนื่อง การที่วงจรยังไม่ตัดไม่ได้แปลว่าอยู่ในช่วงที่รับรองความแม่นยำและอายุใช้งาน อีกทั้งการตัดแล้วเริ่มซ้ำอาจทำให้โหลดรีเซ็ตหรือเกิดพฤติกรรมไม่แน่นอน บทสาธิตนี้ไม่เร่งอุณหภูมิจนตัดเพื่อหาค่ารอยต่อ แต่ใช้การคำนวณและวัดภายในช่วงทำงานที่กำหนด

การติดแผ่นระบายบนผิวไอซีโดยไม่ดูทางเดินความร้อนอาจช่วยน้อยกว่าที่คิด ถ้าความร้อนส่วนใหญ่ควรออกด้านล่างเข้าสู่บอร์ด รวมทั้งห้ามใช้พื้นที่ทองแดงเชื่อมขาไฟต่างศักย์เพื่อระบายร้อน ความสะดวกด้านความร้อนไม่ทดแทนความถูกต้องทางไฟฟ้า และการสัมผัสด้วยมือไม่สามารถแยกความต่างอุณหภูมิที่จำเป็นต่อการตรวจพิกัดได้

ตรวจสอบผลด้วยกำลังและแนวโน้มอุณหภูมิที่สอดคล้องกัน

บันทึก Vin, Vout, Iout และอุณหภูมิแวดล้อมพร้อมเวลาที่วัด หากอินพุตหรือกระแสสูงขึ้น กำลังที่คำนวณและแนวโน้มอุณหภูมิควรสอดคล้องกันภายใต้เงื่อนไขใกล้เดิม ถ้าอุณหภูมิผิดคาดให้ตรวจแผ่นรองใต้แพ็กเกจ รอยบัดกรี และแหล่งร้อนใกล้เคียง การวัดในกล่องปิดต้องตรวจใหม่แม้บอร์ดเปิดโล่งผ่านแล้ว ผลที่รายงานควรแยกค่าอุณหภูมิที่วัดจริงออกจากรอยต่อที่ประมาณ เพื่อให้เห็นความไม่แน่นอนอย่างตรงไปตรงมา