《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(kāi)講解。

我們已經(jīng)介紹過(guò)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。

本文將介紹低壓差穩(wěn)壓器 (LDO) 的工作原理等。

低壓差穩(wěn)壓器( LDO) 的工作原理

LDO 的工作原理類似于可變電阻， 其阻值會(huì)隨電流大小成比例變化。 如圖所示的基本電路中， LDO將輸出電壓 VOUT 送入內(nèi)部衰減器， 再由衰減器將電壓送至誤差放大器的負(fù)輸入端。 與此同時(shí)， 放大器的正輸入端連接至基準(zhǔn)電壓 VREF，能夠在工藝偏差、 電壓波動(dòng)和溫度變化等條件下保持高度穩(wěn)定。 這使得衰減器輸出的電壓與基準(zhǔn)電壓保持一致。

放大器的作用是通過(guò)調(diào)節(jié)其輸出， 來(lái)平衡兩個(gè)輸入端的電壓， 使其相等。

為此， 放大器驅(qū)動(dòng) MOSFET 的柵極驅(qū)動(dòng)電路。 通過(guò)調(diào)整柵極驅(qū)動(dòng)電壓， 直至放大器正負(fù)輸入端電壓相等， LDO的高速模擬控制環(huán)路便能實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓 VOUT的穩(wěn)壓調(diào)節(jié)。

LDO壓差電壓的考量

與降壓轉(zhuǎn)換器不同， 其輸出電流始終與輸入電流不相等， 而LDO的輸出電流與輸入電流始終保持一致。 因此， LDO 最關(guān)鍵的特性便是其壓差電壓(dropout voltage) ——是指 LDO 能夠保持正常穩(wěn)壓時(shí)， VIN 與 VOUT之間的最小允許壓差。 該參數(shù)通常以 VDO 表示， 有時(shí)也會(huì)使用 VDS (指MOSFET 漏極與源極之間的壓降)， 二者在物理意義上基本等效。 安森美(onsemi)將VDO 定義為： 當(dāng)輸出電壓 VOUT 低于標(biāo)稱值 VOUT(NOM) 的2%時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓差值。

公式為：

VDO表示為維持所需輸出電壓 VVOUT 所必需的最小壓差。 對(duì)于任何 LDO， 隨著輸入電壓 VIN 的升高， 該值VIN ? VOUT 實(shí)際上會(huì)減小， 因此需通過(guò)查閱數(shù)據(jù)手冊(cè)中的曲線圖來(lái)參考。

當(dāng)LDO的壓差電壓減小時(shí)， 其效率會(huì)提高; 反之， 當(dāng)壓差電壓提高時(shí)， 效率則會(huì)急劇下降。 例如， 一個(gè)輸出電流為 500 mA、 輸入電壓 VIN =5V、 輸出電壓 VOUT =3.3V 的 LDO， 其 VDO顯然為1.7V。 電阻值自然等于電壓除以電流。 因此該元件的電阻 R 為1.7/0.5， 即 3.4Ω。 根據(jù)功率損耗公式P=I2R ， (0.5)2乘以3.4得出0.85。 850mW的功耗意味著： 對(duì)于 PIN 為2.5W(5些0.5) 的器件， 輸出功率 POUT 等于 PIN 減去功耗， 即1.65W。 將 POUT除以 PIN 可得LDO效率僅為 66。

現(xiàn)在考慮另一款 500mA 器件： 輸入電壓 3.3V， 輸出電壓 2.8V。 此時(shí)電阻 R=0.5/0.5=1.0Ω。 功耗為(0.5)2些1=250mW。 因此， 對(duì)于 PIN 值為(3.3些0.5) = 1.65W 的器件， 輸出功率 POUT 為1.4W， 整體效率達(dá)84.8%。

這一點(diǎn)之所以至關(guān)重要， 是因?yàn)樗苯雨P(guān)系到熱傳遞。 效率較低的器件會(huì)將更多功率轉(zhuǎn)化為熱量， 這意味著更高的結(jié)溫。

估算LDO的輸出電流

假設(shè)你的電源穩(wěn)壓器需要為負(fù)載提供 1.8 V / 100 mA 的供電。 由于 LDO 的輸入電流始終等于其輸出電流， 因此電源樹(shù)第二級(jí)支路中的 LDO 必須提供 100 mA 的輸出電流， 而第一級(jí)支路中的 LDO 同樣也必須提供 100 mA 的輸出電流。

然而， 假設(shè)你的負(fù)載設(shè)計(jì)需同時(shí)支持 JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)定義的全部三個(gè)電源域。 此時(shí)， 電源樹(shù)第二級(jí)支路的典型配置通常包括： 一個(gè) LDO 為 VDDIO 提供 1.8V輸出， 一個(gè) LDO 為 VDD 提供 1.2 V 輸出， 一個(gè) LDO 為 VAA 提供 2.8 V 輸出。 若每個(gè)電源域的負(fù)載電流均為 100 mA， 由于第一級(jí)支路的 LDO 需要為第二級(jí)支路中的全部三個(gè) LDO 供電， 其輸出電流必須等于三者之和， 即 300mA。

散熱為何至關(guān)重要

在安森美及其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手發(fā)布的線性穩(wěn)壓器(包括降壓轉(zhuǎn)換器和 LDO) 的交流與直流參數(shù)表中，每款器件都明確規(guī)定了在特定安全結(jié)溫范圍內(nèi)，其電壓和電流參數(shù)的最小值與最大值。只要芯片結(jié)溫保持在公布范圍內(nèi)，安森美就保證其數(shù)據(jù)手冊(cè)中所列的電氣性能指標(biāo)有效。

參數(shù)表中存在兩組最小值與最大值：一組適用于工作溫度，另一組適用于絕對(duì)極限溫度。超出工作溫度的最小值與最大值范圍時(shí)，安森美無(wú)法保證器件性能。 若達(dá)到絕對(duì)極限溫度，器件存在損壞風(fēng)險(xiǎn)。

以安森美 NCP163 LDO 為例

以下是一個(gè)基于安森美 NCP163 LDO 的實(shí)際案例。根據(jù)其數(shù)據(jù)手冊(cè)中的規(guī)格參數(shù)表，該器件的最高結(jié)溫 TJ為 150°C，最低存儲(chǔ)溫度為-55°C。 這兩個(gè)值構(gòu)成了其絕對(duì)極限溫度范圍。

在規(guī)格表下方，可找到其工作電壓范圍：在輸入電壓VIN介于 2.2 V 至 5.5 V 之間時(shí)，器件可保證性能穩(wěn)定。根據(jù)“電氣特性” 圖表上方的說(shuō)明，該性能保證在 -40℃至+125℃溫度范圍內(nèi)有效——顯然比前述絕對(duì)極限溫度范圍要窄。

此外，規(guī)格參數(shù)表中“Typ” (典型值)一列所列數(shù)值，對(duì)應(yīng)典型結(jié)溫(TJ)條件， NCP163 的典型結(jié)溫為 25℃。 例如，表中給出的線路調(diào)節(jié)率或 LineReg的值為0.02 。這意味著在典型工作條件下，當(dāng)輸入電壓變化時(shí)，輸出電壓的波動(dòng)幅度不超過(guò) 2%。

以NCP114和NCP189 LDO 為例

安森美的 NCP114 LDO 和 NCP189 LDO 均在150°C溫度下不會(huì)發(fā)生損壞。但NCP114的工作溫度范圍更窄： -40°C至+85℃。 NCP189在更高溫度下仍能保證良好性能：工作范圍為-40° C至+125°C。但兩款器件的典型結(jié)溫在150°C溫度下不會(huì)發(fā)生損壞。但NCP114的工作溫度范圍更窄： -40°C至+85C。

NCP189在更高溫度下仍能保證良好性能：工作范圍為-40° C至+125°C。但兩款器件的典型結(jié)溫 TJ均為25°C。在為圖像傳感器電源樹(shù)選取合適參數(shù)時(shí)，關(guān)注溫度極限值至關(guān)重要。不同器件具有不同的工作特性，您的選擇必須反映出應(yīng)用場(chǎng)景中圖像傳感器對(duì)電源的預(yù)期工作條件。

未完待續(xù)。