《工業(yè)圖像傳感器供電方案教程》圍繞穩(wěn)壓型降壓電源、低壓差穩(wěn)壓器(LDO)、Hyperlux CMOS圖像傳感器等展開講解。我們已經(jīng)介紹過——

穩(wěn)壓型降壓電源的關(guān)鍵組成部分、降壓轉(zhuǎn)換器的工作原理、連續(xù)導(dǎo)通與斷續(xù)導(dǎo)通等。

低壓差穩(wěn)壓器 (LDO) 的工作原理等。

計(jì)算熱耗散等

本文將繼續(xù)介紹降壓轉(zhuǎn)換器的自發(fā)熱效應(yīng)考量、降壓轉(zhuǎn)換器與LDO的優(yōu)劣對比等。

降壓轉(zhuǎn)換器的自發(fā)熱效應(yīng)考量

在評估各類降壓轉(zhuǎn)換器用于功率穩(wěn)壓時(shí)，必須估算其裸片溫度或結(jié)溫。計(jì)算該值需理解：瓦特即功率，而功率即熱量。降壓轉(zhuǎn)換器的耗散功率計(jì)算公式非常簡潔

其中， 輸出功率 POUT 與輸入功率 PIN 的比值即為該器件的效率。 輸入電壓 VIN由圖像傳感器的應(yīng)用場景決定。 根據(jù)歐姆定律， 可通過 PIN 除以 VIN 來計(jì)算輸入電流 IIN 。

以安森美(onsemi) FAN53745 降壓轉(zhuǎn)換器為例， 本應(yīng)用所需的輸入電壓 VIN 為 5V， 輸出電流 IOUT 為 470 mA， 輸出電壓 VOUT 為 3.2 V。 根據(jù)器件數(shù)據(jù)手冊中“負(fù)載電流與效率” 曲線圖可確定其效率： 在代表 VIN =4.9V 的紅色曲線上，當(dāng)負(fù)載電流為 470 mA 時(shí)， 效率約為 90%。 代入上述公式， 可得功耗 PD 約為167 mW。

得到 PD 后， 下一步需結(jié)合數(shù)據(jù)手冊中的 θ-JA(熱阻) 和環(huán)境溫度參數(shù)， 安森美部分?jǐn)?shù)據(jù)手冊使用縮寫 QJA 表示 RθJA 。 對于 FAN53745， 其 RθJA 為 65°C/W， 推薦環(huán)境溫度為 60°C。據(jù)此計(jì)算， FAN53745 的芯片結(jié)溫為70.9℃。

圖 — 效率與負(fù)載電流及輸入電壓的關(guān)系， FPWM 模式

降壓轉(zhuǎn)換器與LDO的優(yōu)劣對比

0.5 A

高精度(0.7%)

超低噪聲高電源抑制比(PSRR)

熱阻(RθJA)： 60°C/W

芯片結(jié)溫： 107°C

工作溫度范圍：-40℃ to 125℃

效率: 36%

官網(wǎng)報(bào)價(jià):$0.26

假設(shè)你需要設(shè)計(jì)一個(gè)電源樹，以滿足以下圖像傳感器應(yīng)用的參數(shù)要求：輸入電壓 VIN 為5V，輸出電壓 VOUT 為1.8V，輸出電流 IOUT 為 350mA，環(huán)境溫度設(shè)定為較高的60°C。

參考安森美的 NCP189 LDO，其熱阻 RθJA 為60°C/W，據(jù)此計(jì)算出的裸片結(jié)溫 TJ 為107°C。其效率僅為約 36%，這一因素很可能在實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生重要影響。截至本文撰寫時(shí)， NCP189 的官網(wǎng)報(bào)價(jià)(WP，即安森美針對小批量采購、未含任何折扣的公開報(bào)價(jià)) 為每顆 0.26美元。

同步整流

3.33 MHz

1A

1 x 1.5mm

熱阻(RθJA)： 65°C/W

芯片結(jié)溫： 64.5°C

工作溫度范圍：-40℃ to 85°C

效率: 90%

官網(wǎng)報(bào)價(jià): $0.40

在安森美的產(chǎn)品中，與該 LDO 工作特性最接近的降壓轉(zhuǎn)換器是 FAN53745 。 盡管其熱阻 RθJA為65°C/W， 但由于其效率高達(dá)約 90%， 計(jì)算得出的結(jié)溫 TJ 僅為64.5°C， 明顯更低。 FAN53745 的官網(wǎng)報(bào)價(jià)略高，為每顆 0.40 美元。

由此可見， 降壓轉(zhuǎn)換器在溫度控制方面具有顯著優(yōu)勢， 但顯然這種優(yōu)勢需要付出更高的成本。

若能接受107°C的 TJ 值， LDO仍是理想選擇。 若面臨狹窄封裝空間的限制、 散熱受限，降壓轉(zhuǎn)換器是更好的選擇。

外殼與模塊如何加劇散熱問題 圖像傳感器通常置于模塊或外殼內(nèi)部。 因此電源穩(wěn)壓器未必能享有充足的流動(dòng)氣流和下方大面積PCB散熱面。 PCB散熱面本應(yīng)提供熱容量以幫助IC散熱， 但在空間極為有限的外殼中， 該散熱面可能無法達(dá)到理想尺寸。

外殼會封閉大部分甚至全部環(huán)境空氣， 導(dǎo)致封閉空氣的溫度升高， 從而加速IC的自發(fā)熱趨勢， 此時(shí)IC更像是微型本生燈。 因此在設(shè)計(jì)電源樹時(shí)， 必須同時(shí)考慮熱傳遞的三種方式——傳導(dǎo)、 對流和輻射。

電網(wǎng)供電 vs. 離網(wǎng)供電的設(shè)計(jì)考量 假設(shè)您的圖像傳感器應(yīng)用需要至少500mV的降壓電壓。 若圖像傳感器應(yīng)用通過交流電網(wǎng)供電(無論采用以太網(wǎng)供電PoE還是AC/DC適配器)， 從工程實(shí)踐的角度來看， 這等同于擁有無限電源。 因此即使LDO的效率低于降壓轉(zhuǎn)換器， 該因素在電源樹考量中影響有限。

另一方面， 若應(yīng)用采用電池供電或太陽能等可再生能源供電， 效率便成為首要考量。 由于能源并非無限， 您可能會傾向于選擇效率更高、 能耗更低的降壓轉(zhuǎn)換器。 電池具有單位成本， 減少電池?cái)?shù)量對降低整體運(yùn)營成本也具有顯著意義。

選擇降壓轉(zhuǎn)換器還是LDO ? 過去， 在為降壓應(yīng)用選擇LDO或降壓轉(zhuǎn)換器時(shí)， 工程師常遵循一條經(jīng)驗(yàn)法則： 若負(fù)載電流低于200 mA， 選用 LDO; 若高于200 mA， 則選用同步降壓轉(zhuǎn)換器。(該規(guī)則本身存在一定波動(dòng)性; 在某些情況下，閾值可能浮動(dòng)為300mA。 )

隨著制造工藝和器件規(guī)格的不斷進(jìn)步， 如今的經(jīng)驗(yàn)法則更為精細(xì)化，更接近于一個(gè)流程：

1. 優(yōu)先假定選用 LDO。 多數(shù)情況下LDO成本更低。

2. 查閱候選 LDO 的數(shù)據(jù)手冊， 確定其最大推薦工作溫度(取自較窄的溫度范圍， 而非絕對最高溫度) 。

3. 將該溫度乘以 85%(0.85) 以預(yù)留安全裕量， 此即"安全溫度"。

4. 運(yùn)用前文公式計(jì)算候選 LDO 的芯片結(jié)溫TJ 。

5. 若 TJ 超過安全溫度， 則尋找環(huán)境溫度額定值更低或 θ-JA 值更低的 LDO。

6. 若無 LDO 能滿足安全溫度要求， 則考慮使用同步降壓轉(zhuǎn)換器。

需注意特殊情況： 密閉外殼或模塊會阻礙氣流， 導(dǎo)致環(huán)境溫度升高并加劇IC自發(fā)熱效應(yīng)。 此類場景下， 建議優(yōu)先選用降壓轉(zhuǎn)換器替代LDO。 此外， 在電池供電應(yīng)用(如遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)攝像頭) 中， 降壓轉(zhuǎn)換器能提供更高效率， 可顯著延長電池續(xù)航時(shí)間。

未完待續(xù)，下篇推文將繼續(xù)介紹電源樹、噪聲影響、安森美經(jīng)典LDO產(chǎn)品等知識點(diǎn)。