Límite de salida de corriente real de los reguladores lineales vs. disipación de calor

Buena pregunta.

Casi siempre, lo que daña las cosas es el calor, no la corriente. La respuesta a su pregunta está en la diferencia entre local y global, o entre subpartes y todo el asunto. La corriente puede pasar por varias subpartes, y cada una de ellas puede tener diferentes niveles de potencia. Un cable de unión puede tener, por sí mismo, un límite de disipación que está muy por debajo de todo el dispositivo. Una subparte de la serie, que debe estar allí por cualquier motivo, puede tener un límite de disipación inferior al de la subparte principal. Por ejemplo, porque tiene un volumen pequeño y una superficie pequeña en contacto con el resto del dispositivo, y no puede apagar el calor al mismo ritmo que la subparte principal. En casos como estos, tiene sentido especificar un límite para la corriente, incluso después de haber especificado un límite para la disipación total, porque esas pequeñas partes "secundarias" pueden no ser capaces de disipar el calor a la misma velocidad que el dispositivo en su conjunto.

Solo un ejemplo. Imagina la situación en la siguiente figura. La potencia nominal de todo el dispositivo es de 5 W. Parecería que operar el dispositivo a \ $ V_d \ $ = 2 V y \ $ I_d \ $ = 1.5 A estaría dentro de límites seguros, porque \ $ P_d = V_d · I_d = 2 · 1.5 = 3 \ $ W < 5 W. La global disipación de calor estaría por debajo de su límite correspondiente. Sin embargo, \ $ I_d ^ 2 · 0.1 = 1.5 ^ 2 · 0.1 = 0.225 \ $ W > 0.1 W, de modo que la subparte pequeña excedería su límite de disipación local y, por lo tanto, la necesidad de especificar \ $ I_ {dmax} \ $ además de \ $ P_ {max} \ $. Pero la clave es que, incluso para ese límite de corriente, la razón real detrás de esto es el calor, no la corriente por sí misma. Excepto en algunos casos (como la electromigración), la corriente por sí misma no daña nada directamente.

¿Directrices generales? Son limitaciones reales, la mayoría de las veces diseñadas deliberadamente para. Esto es a menudo con la máxima disipación de energía en mente. Esa situación de disipación puede ser diferente para diferentes implementaciones. Depende del ingeniero de diseño asegurarse de que el dispositivo se utilice dentro de sus especificaciones. Sería una tontería decir que el regulador de 3.3V no debe exceder los 10 mA a una entrada de 40 V si el diseñador tiene una buena solución para eliminar el calor a 100 mA.
Es por eso que la resistencia térmica se especifica en la hoja de datos. Resistencia térmica de la unión a la caja, y de la carcasa al ambiente. El diseñador puede usar un disipador térmico que tenga su propia resistencia térmica, o montar el dispositivo en un plano de cobre grande de la PCB. La hoja de datos le proporciona la información que le permite utilizar un dispositivo al máximo.

No, el calor no es lo único que limita los reguladores lineales. Independientemente del calor, un regulador en particular solo puede manejar algo de corriente máxima. Esto se debe a que las partes utilizadas para implementar ese regulador solo pueden manejar esa corriente.

Observe la especificación de cualquier transistor, y verá un límite de potencia máxima y corriente máxima. Ambos son reales. Los reguladores lineales están hechos de transistores y otros dispositivos con capacidad de corriente máxima, por lo que tienen una capacidad de corriente máxima ellos mismos.

Considere un ejemplo poco realista que, sin embargo, ilustra este punto. Supongamos que tiene un chip regulador lineal bien enfriado y capaz de una alta corriente en sí mismo, pero los cables de enlace entre éste y los pines, por supuesto, tienen un espesor finito y capacidad de transporte de corriente. Esos cables de enlace se fusionarán con cierta corriente, independientemente de cuánta potencia se esté disipando el chip. Los cables de enlace no ven la caída de voltaje del regulador, solo la corriente a través de ellos.

Has preguntado

  

¿hay alguna otra razón para estos límites de salida actuales enumerados que no sean una guía general?

El fabricante establece los límites de "supervivencia absoluta" y "funcionamiento recomendado" y usted los supera a su propio riesgo. Incluso los "límites de funcionamiento recomendados" no son no pautas generales, son líneas en el silicio que no se cruzan en un diseño adecuado.

Ninguna "solución diseñada apropiadamente excederá cualquiera de estos, excepto cuando el diseñador tenga los recursos y la capacidad para calificar los componentes por sí mismos, e incluso entonces están a la merced del fabricante cambiando los parámetros de tal manera que aún cumplan especificaciones de la hoja de especificaciones, pero ya no cumple con las especificaciones de casos especiales de los diseñadores.

Un regulador de 100 mA comparado con un 1A puede tener menos silicio en general, tener un transistor de salida de menor capacidad, no poder o no estar diseñado para impulsar la etapa de salida lo suficientemente fuerte como para mantenerlo en saturación (bipolar) o completamente modo mejorado (MOSFET).

Para abajo:

• Rth = resistencia térmica en grados C o K aumento por vatio disipado.

  Rth_jc = unión de resistencia térmica al estuche
  = aumento de grados de unión por encima de la temperatura de la caja por vatio de disipación.

  Rth_Ja = unión de resistencia térmica al aire (sin disipador de calor)

  Rth-ca = resistencia térmica de la caja al aire = disipador térmico y cualquier hardware de montaje.

Dices

  

Por ejemplo, un regulador de 3.3V que tiene una corriente de salida de 100 mA con una entrada de 40V no podría disipar fácilmente la caída de voltaje (3.67 W), mientras que no tendría ningún problema en proporcionar 1A si solo tuviera que disminuir el voltaje de entrada por .5V (0.5 W).

pero el primero no es necesariamente cierto: los límites térmicos a menudo no son no el factor principal, aunque el ejemplo que sugieres es rígido.

por ejemplo, si aceptó una temperatura de unión de 130 C y diseñó una temperatura de disipador térmico de 40 C, entonces la pieza necesitaría una resistencia térmica interna Rth_jc de < = Tdrop / Watts_dissipated
 = (130-40) C /3.67W = 90 / 3.67 ~ = 25 C / W
 Esto es aproximadamente la mitad de la calificación de una pieza TO92 a alrededor de 50 C / W

La gente amable de Infineon proporciona este con 18 k / W Rth-jc y una temperatura de matriz máxima de 150 C permitida. Está clasificado a 150 mA máx. La lengüeta soldada en el paquete y el paquete SOT89 similar significan que se podría obtener un Rth-jsink de algo como la figura anterior.

Finalmente, siempre se puede confiar en que la buena gente de Zetex / Duiodes Inc. lo hará mejor que casi cualquiera y ofrece regulador AP78L05 con 18 C / W en SO8 en cobre de 2 Oz, FR4 y 25 C / W para SOT89 con un diseño de almohadilla mínimo recomendado ".

SOT89 cobre para 25 C / W