Calor, temperatura de junção e dropout de um AMS1117, LM1117, 7805, LM317 ou de um LDO de baixo consumo como o MCP1700, a partir da tensão de entrada e da carga. Ao lado do resultado: os componentes mais eficientes para o mesmo trabalho.
Um regulador linear transforma em calor toda a diferença de tensão. Estes componentes desperdiçam menos, precisam de menos margem ou consomem menos em repouso. Os que servem para os seus valores estão marcados; as estimativas usam valores típicos dos datasheets.
Agora, com o AMS1117: 125 mA da entrada e 1,1 W de calor.
Converte a diferença de tensão em vez de queimá-la. AP63203 (3,3 V) e AP63205 (5 V): entrada de 3,8–32 V, 2 A, 22 µA em repouso, até 88% de eficiência mesmo a 5 mA. TPS62160: 3–17 V, 1 A, 17 µA. Os módulos baratos usam o LM2596 (150 kHz, 5 mA de consumo próprio, 73% de 12 para 5 V com 3 A) ou o MP1584, que a MPS não recomenda mais para projetos novos.
AP6320x: cerca de 41 mA da entrada e 99 mW de calor.
Módulos chaveados com os pinos na ordem do 78xx (entrada, terra, saída), que cabem no footprint TO-220 e dispensam dissipador. R-78E5.0-0.5: entrada de 7–28 V, 500 mA, 82–92% de eficiência a plena carga. TSR 1-2450: 6,5–36 V, 1 A, até 94%. Também há versões de 3,3 V.
R-78E3.3-0.5: cerca de 45 mA da entrada e 0,15 W de calor.
Os módulos ESP32 funcionam de 3,0 a 3,6 V, e 3,6 V é também o máximo absoluto deles. Uma célula LiFePO4 fica em torno de 3,2–3,3 V durante quase toda a descarga, então pode alimentar o módulo diretamente, sem perdas e sem corrente quiescente. Mas uma carga padrão termina em 3,65 V, acima desse máximo: use um carregador que pare abaixo de 3,6 V e um corte que desligue o módulo em 3,0 V. Nunca com uma célula Li-ion: 4,2 V é demais.
Só se a alimentação ficar sempre dentro dos 3,0–3,6 V do módulo, como uma célula LiFePO4 carregada abaixo de 3,6 V e com corte em 3,0 V.
Mantém 3,3 V enquanto uma célula Li-ion vai de 4,2 a 3,0 V: abaixa a tensão quando a célula está cheia e eleva quando está baixa, assim você usa a bateria inteira. TPS63802: entrada de 1,3–5,5 V, 2 A em 3,3 V a partir de 2,3 V, 11 µA em repouso. TPS63020: 1,8–5,5 V, 2 A em 3,3 V acima de 2,5 V, 25 µA.
Não para estes valores: entrada de 1,3–5,5 V, até 2 A.
Dropout de centenas de milivolts em vez de cerca de 1 V. TLV755P: 150 mV típicos a 500 mA, entrada até 5,5 V, 25 µA. AP2112K: 250 mV a 600 mA, até 6 V, 55 µA. Com uma célula Li-ion, mantêm 3,3 V até cerca de 3,45–3,55 V.
Não para estes valores: entrada de 1,45–5,5 V (TLV755P) ou 2,5–6 V (AP2112K), até 600 mA.
Para nós com bateria que dormem quase o tempo todo. TPS62740: 360 nA em repouso e até 90% de eficiência a 10 µA, entrada de 2,2–5,5 V, 300 mA, saída de 1,8–3,3 V. TPS62840: 60 nA, 1,8–6,5 V, 750 mA. Quando a bateria chega perto da saída, eles a deixam passar direto (modo 100%).
Não para estes valores: entrada de 1,8–6,5 V, saída até 3,6 V, até 750 mA.
O mesmo calor de qualquer regulador linear, mas 1–4 µA em repouso em vez de cerca de 5 mA. MCP1700: 1,6 µA, 250 mA, até 6 V. HT7333: 4 µA, 250 mA, até 12 V. XC6206: 1 µA, 200 mA, até 6 V. Para um ESP32 com Wi-Fi não bastam: a Espressif exige uma alimentação de pelo menos 500 mA. Use-os em sensores e microcontroladores sem rádio, ou escolha um LDO de 500 mA.
Não para estes valores: entrada de 2,3–6 V (MCP1700) ou até 12 V (HT7333), até 250 mA.
Só 1 °C de margem: na bancada tudo bem, mas numa caixa fechada ou no verão chega ao limite. Procure deixar pelo menos 25 °C.
| Calor no regulador | 1,1 W: 1,04 W da queda de tensão e 60 mW do próprio consumo |
|---|---|
| Temperatura de junção | 124 °C = 25 °C + 1,1 W × 90 °C/W |
| Entrada mínima para regular | 4,4 V a 500 mA: 3,3 V mais 1,1 V de dropout. A sua entrada desce até 11,4 V. |
| Consumo próprio | 5 mA, ou seja, 120 mAh por dia |
| Corrente de pico | 500 mA de um máximo de 900 mA |
| Tensão de entrada | 12 V de um máximo de 15 V |
| Calor que aguenta | 1,11 W com 25 °C de ambiente e 90 °C/W |
Para reduzir o calor, alimente com uma tensão menor (5 V em vez de 12 V), ou deixe a queda grande para um conversor chaveado e só o final para o regulador. Um resistor em série com a entrada também tira parte do calor do regulador, desde que, com a corrente de pico, a entrada continue acima do mínimo mostrado nos resultados.
Em um componente SOT-223 ou SOT-23, o dissipador é o cobre da placa. A TI mediu o LM1117 em SOT-223 com 136 °C/W numa ilha de uns 8 mm² e 66 °C/W com 6,5 cm² de cobre: ligue a aba a uma área grande de cobre, com vias para as outras camadas.
O Wi-Fi puxa picos de corrente em rajadas curtas. A Espressif pede uma alimentação que entregue pelo menos 500 mA, e um capacitor de reserva perto do módulo ajuda o regulador a aguentá-los.
Use os capacitores que o datasheet pede: alguns reguladores precisam deles para ficar estáveis. O AMS1117 pede 22 µF de tântalo na saída e o LM1117 pelo menos 10 µF de tântalo, enquanto o MCP1700 é estável com 1 µF cerâmico.
Um regulador linear não acrescenta ruído de chaveamento. Por isso muitas vezes se mantém um depois de um conversor buck para ADC, áudio e rádio, com o buck fazendo a queda grande.
Um regulador linear conduz toda a corrente da carga e absorve a diferença entre entrada e saída. Toda essa potência vira calor, mais a pequena corrente que o regulador usa para funcionar (a corrente quiescente).
P = (Vin − Vout) × Icarga + Vin × Iq Tj = Ta + P × θJA η = (Vout × Icarga) ÷ (Vin × (Icarga + Iq))
Exemplo: um AMS1117-3.3 ligado em 12 V alimentando um ESP32 com o Wi-Fi ligado (120 mA). P = 8,7 V × 0,12 A + 12 V × 5 mA = 1,1 W. Em SOT-223, a 90 °C/W, a junção chega a 25 + 99 = 124 °C, bem no limite de 125 °C. A eficiência é de 26%: três quartos da potência viram calor.
Para funcionar, um regulador precisa de um pouco de tensão sobre ele. Abaixo da tensão de saída mais o dropout, a saída acompanha a entrada para baixo. Componentes bipolares como o AMS1117 e o 7805 precisam de cerca de 1,1 V e 2 V; LDOs CMOS como o MCP1700, de dezenas a algumas centenas de milivolts, que aumentam com a corrente. A verificação usa a corrente de pico e a tensão de entrada mínima, porque é ali que o regulador falha primeiro.
Vin,mín = Vout + Vdropout(Ipico)
Exemplo: um AMS1117-3.3 precisa de 3,3 + 1,1 = 4,4 V. No USB (4,75 V ou mais) funciona; com uma célula Li-ion, que vai de 4,2 V a 3,0 V, ele nunca regula direito.
Tj = Ta + P × (θJC + θCS + θSA) θSA ≤ (Tjmáx − 25 °C − Ta) ÷ P − θJC − θCS
Ao ar livre, um 7805 em TO-220 tem θJA = 50 °C/W: com 25 °C de ambiente, chega a 125 °C com 2 W. Com dissipador, o calor passa pelo encapsulamento (θJC, 5 °C/W), pelo contato (θCS, cerca de 1 °C/W com pasta térmica, valor assumido aqui) e pelo dissipador (θSA, do datasheet dele). A calculadora dimensiona o dissipador para deixar 25 °C de margem abaixo do limite.
| Componente | Encapsulamento | Dropout | Em repouso | Corrente máx. | Entrada máx. | θJA |
|---|---|---|---|---|---|---|
| AMS1117 | SOT-223 | 1,1 V / 800 mA | 5 mA | 900 mA | 15 V | 90 °C/W |
| LM1117 | SOT-223 | 1,2 V / 800 mA | 5 mA | 800 mA | 15 V | 61,6 °C/W |
| 78xx (L7805…) | TO-220 | 2 V / 1 A | 8 mA | 1,5 A | 35 V | 50 °C/W |
| 78Lxx (78L05…) | TO-92 | 1,7 V / 40 mA | 3,8 mA | 100 mA | 30 V | 156 °C/W |
| LM317 | TO-220 | 2 V / 1 A | 5 mA | 1,5 A | 40 V (entrada − saída) | 50 °C/W |
| MCP1700 | SOT-23 | 178 mV / 250 mA | 1,6 µA | 250 mA | 6 V | 336 °C/W |
| MCP1700 | TO-92 | 178 mV / 250 mA | 1,6 µA | 250 mA | 6 V | 160 °C/W |
| HT73xx (HT7333…) | SOT-89 | 90 mV / 40 mA | 4 µA | 250 mA | 12 V | 200 °C/W |
| XC6206 | SOT-23 | 250 mV / 100 mA | 1 µA | 200 mA | 6 V | 200 °C/W |
| AP2112K | SOT-23-5 | 250 mV / 600 mA | 55 µA | 600 mA | 6 V | 184 °C/W |
| TLV755P | SOT-23-5 | 150 mV / 500 mA | 25 µA | 500 mA | 5,5 V | 231 °C/W |
Valores típicos a 25 °C dos datasheets dos fabricantes (AMS, Texas Instruments, STMicroelectronics, Microchip, Holtek, Torex, Diodes). O dropout máximo garantido é maior: 1,3 V para o AMS1117. Cada fabricante mede a θJA na própria placa de teste, então os valores só se comparam por alto.
Encapsulamentos pequenos dissipam o calor pelo cobre em que estão soldados. A TI mediu o LM1117 em SOT-223 com 136 °C/W numa ilha de uns 8 mm² e 66 °C/W com 6,5 cm² (uma polegada quadrada) de cobre; a AMS indica de 55 a 80 °C/W para o AMS1117, conforme a área de cobre. O valor do datasheet dá a ordem de grandeza, e o cobre da sua placa decide o resto.
Um regulador linear é barato, pequeno e silencioso: a saída dele não tem ondulação de chaveamento, e é por isso que ele ainda é usado em ADC, áudio e rádio, muitas vezes depois de um conversor chaveado. Faz sentido quando a diferença de tensão é pequena ou a corrente é baixa. Com uma queda grande (de 12 V para 3,3 V) ou centenas de miliampères, um conversor buck desperdiça muito menos. Num projeto a bateria que dorme quase o tempo todo, o que conta é a corrente em repouso: 1,6 µA num MCP1700, cerca de 5 mA num AMS1117.
P = (Vin − Vout) × Icarga + Vin × Iq. De 12 V para 3,3 V com 120 mA, são 8,7 V × 0,12 A = 1,04 W, mais 12 V × 5 mA = 0,06 W num AMS1117: 1,1 W no total. Multiplique pela θJA e some a temperatura ambiente para ter a temperatura de junção.
Porque ele queima toda a diferença de tensão. Em 12 V com 120 mA, dissipa 1,1 W, e em SOT-223 a 90 °C/W isso dá cerca de 100 °C acima do ambiente. Em 5 V, a mesma carga dá 0,23 W e cerca de 21 °C acima do ambiente. Baixe a tensão de entrada ou use um conversor buck.
Não. Ele precisa de cerca de 1,1 V de margem, ou seja, pelo menos 4,4 V na entrada, enquanto uma célula Li-ion vai de 4,2 V a 3,0 V. Use um LDO CMOS de baixo dropout (o TLV755P tem 150 mV a 500 mA, então regula até cerca de 3,45 V) ou, para aproveitar a bateria inteira, um conversor buck-boost como o TPS63802.
De 12 V para 5 V com 500 mA, ele dissipa 7 V × 0,5 A + 12 V × 8 mA = 3,6 W. Para ficar 25 °C abaixo do limite de 125 °C com 25 °C de ambiente, a θSA deve ser no máximo 75 ÷ 3,6 − 5 − 1 = 15 °C/W. Sem dissipador, chegaria a 25 + 3,6 × 50 = 205 °C e a proteção térmica entraria em ação.
Sim. Os módulos Recom R-78E e Traco TSR 1 têm os pinos na mesma ordem (entrada, terra, saída), cabem no footprint TO-220 e dispensam dissipador. Confira a faixa de entrada (R-78E5.0-0.5: 7–28 V, 500 mA) e use os capacitores que o datasheet do módulo pede.
Com uma célula LiFePO4, sim, com cuidado: os módulos ESP32 aceitam de 3,0 a 3,6 V (3,6 V é também o máximo absoluto deles) e a célula fica em torno de 3,2–3,3 V durante quase toda a descarga. Uma carga padrão termina em 3,65 V, então use um carregador que pare abaixo de 3,6 V e corte o módulo em 3,0 V. Com uma célula Li-ion, não: a 4,2 V ela passa bem do máximo.
Sim: quando a queda de tensão é pequena (de 5 V para 3,3 V com pouca corrente), quando o circuito é sensível a ruído (ADC, áudio, rádio), ou quando tamanho e custo importam mais que a eficiência. Uma combinação comum é um buck perto da tensão desejada seguido de um LDO de baixo ruído.