《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。

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

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

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 V_IN 為 5V， 輸出電流 I_OUT 為 470 mA， 輸出電壓 V_OUT 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 V_IN =4.9V 的紅色曲線上，當(dāng)負(fù)載電流為 470 mA 時， 效率約為 90%。 代入上述公式， 可得功耗 P_D 約為167 mW。

得到 P_D 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 R_θJA 。 對于 FAN53745， 其 R_θJA 為 65°C/W， 推薦環(huán)境溫度為 60°C。 據(jù)此計算， 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

0.5 A

高精度(0.7%)

超低噪聲高電源抑制比（PSRR）

熱阻（R_θJA）： 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)報價:$0.26

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

同步整流

3.33 MHz

1A

1 x 1.5mm

熱阻（R_θJA）： 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)報價: $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 R_θJA為65°C/W， 但由于其效率高達(dá)約 90%， 計算得出的結(jié)溫 T_J 僅為64.5°C， 明顯更低。 FAN53745 的官網(wǎng)報價略高，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 T_J 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IC更像是微型本生燈。 因此在設(shè)計電源樹時， 必須同時考慮熱傳遞的三種方式——傳導(dǎo)、 對流和輻射。

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， 減少電池數(shù)量對降低整體運(yùn)營成本也具有顯著意義。

隨著制造工藝和器件規(guī)格的不斷進(jìn)步， 如今的經(jīng)驗法則更為精細(xì)化，更接近于一個流程：
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)用前文公式計算候選 LDO 的芯片結(jié)溫T_J 。
5. 若 T_J 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。