《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。

本文將繼續(xù)介紹熱耗散、熱阻等。

計算熱耗散

LDO的耗散功率主要來自兩個方面。 其中一個雖然很小， 但不可完全忽視。 它以微安（ μA） 為單位進行測量， 等于輸入電壓與靜態(tài)電流的乘積： VIN· IGND。實際上， 這表示元件即使未導(dǎo)通時也會消耗的功率。

第二部分耗散功率可通過壓差電壓（ 輸入與輸出電壓差） 乘以輸出電流IOUT（即 VIN? VOUT） 來計算。 由此得出LDO耗散功率計算公式：

絕大部分耗散功率由公式的第二項決定。 壓差電壓是穩(wěn)壓器維持穩(wěn)定所需的最小電壓差。 當(dāng)輸入電壓超過壓差電壓閾值時， 輸出電壓將開始急劇下降。

在圖像傳感器應(yīng)用中， 電源穩(wěn)壓器的主要作用是將電源的輸入電壓降低至圖像傳感器及其他元件所需的工作電壓。 為實現(xiàn)這一目的， 穩(wěn)壓器還必須具備良好的散熱能力。

熱量可通過以下三種方式進行熱傳遞：

傳導(dǎo)：通過固體物體之間的直接物理接觸傳遞熱量。 分子之間必須足夠靠近， 才能實現(xiàn)熱量的傳遞。 在集成電路（IC） 元件中， 其所焊接在印刷電路板（PCB） 上的硅襯底是一種高效的熱導(dǎo)體。

對流：依靠空氣流動， 或在液冷情況下依靠液體流動來傳遞熱量。 現(xiàn)實生活中對流的一個例子是篝火周圍的空氣流動： 熱空氣上升， 將熱量向上帶走； 熱空氣移動后留下的局部低壓區(qū)會吸入外部較冷的空氣， 從而為火焰持續(xù)輸送新鮮氧氣。

輻射：可在真空中發(fā)生且無需介質(zhì)（盡管也可通過介質(zhì)進行） 。 例如，太陽輻射穿越太空， 加熱地球大氣層。

以安森美（onsemi）NCV8560 LDO 穩(wěn)壓器所采用的雙列扁平無引腳封裝（DFN） 為例， 裸片（die） 產(chǎn)生的熱量一方面通過封裝材料傳導(dǎo)， 同時通過與PCB接觸的芯片焊盤（Die-Attach Paddle,DAP） 散熱。 此外， 也存在一定程度的對流散熱： 氣流將裸片（結(jié)溫為 TJ） 的熱量傳遞至器件周圍環(huán)境溫度 (TA) 的空氣中。 同時， 輻射散熱也從多處發(fā)生， 包括包裹裸片的封裝材料、 連接裸片與信號引腳的引線框架， 以及襯底底部專為向外輻射熱量而設(shè)計的金屬鍍層。

理解熱阻（ RθJA）

降壓轉(zhuǎn)換器或LDO穩(wěn)壓器的規(guī)格參數(shù)會提供典型工作結(jié)溫（與裸片溫度基本一致）， 該溫度適用于環(huán)境溫度受控的條件。 規(guī)格中包含兩個溫度范圍， 其中與器件日常工作相關(guān)的是較窄的那個范圍： 即推薦的環(huán)境工作溫度范圍。

在半導(dǎo)體器件數(shù)據(jù)手冊的熱特性參數(shù)中， 最關(guān)鍵的數(shù)值之一便是熱阻 θJA（某些情況下針對器件中兩個或多個特定元件分別標(biāo)注） 。 安森美采用 RθJA符號表示該值， 業(yè)內(nèi)常稱其為"theta-JA"。 該參數(shù)涵蓋結(jié)點J與環(huán)境A之間的熱阻。 JEDEC標(biāo)準(zhǔn)采用 θJX表示相同概念， 其中X為代表任意環(huán)境的變量。

簡言之， RθJA表示器件每產(chǎn)生多少瓦功率熱量時， 其結(jié)溫比環(huán)境溫度高出的攝氏度數(shù)。 請謹(jǐn)記： 功率即熱量。 從技術(shù)角度講，RθJA是指器件或其某一部分對熱傳導(dǎo)的阻力， 即熱阻， 單位為攝氏度每瓦（°C/W）。 需注意， 傳導(dǎo)是指通過直接接觸傳遞熱量。 theta-JA值越高， 意味著散熱性能越差， 從而導(dǎo)致結(jié)溫升高。

圖 — 多 層 PCB橫截面示意圖， 顯示導(dǎo)線和介質(zhì)層厚度

圖左，嵌套式PCB設(shè)計(44-176PQFP封裝)(虛線表示可能的布線路徑)

圖右，電源層和接地層的端接及布線方案

當(dāng)數(shù)據(jù)手冊中指出某器件的熱阻值 RθJA為 65°C/W 時， 意味著其每消耗1瓦功率， 結(jié)溫 TJ將上升65°C。 假設(shè)兩個器件具有相同的耗散功率 PD，則熱阻 RθJA較低的器件溫度更低。

由于結(jié)溫 TJ同時取決于熱阻 RθJA和耗散功率 PD， 安森美在其所有 IC的數(shù)據(jù)手冊中都會明確標(biāo)出 RθJA值。 該指標(biāo)常被用作比較不同半導(dǎo)體供應(yīng)商IC產(chǎn)品熱效率的重要依據(jù)。

Theta-JA（ 即 RθJA） 的計算公式為結(jié)溫 TJ高于環(huán)境溫度 TA的溫差除以損耗功率 PD 。 計算公式如下：

JEDEC標(biāo)準(zhǔn)組織指出， PCB設(shè)計對 RθJA 測量的影響占比高達(dá)60%。 為此，JEDEC在JESD51x系列文件中對 θJX 的測量方法進行了標(biāo)準(zhǔn)化。 該系列標(biāo)準(zhǔn)中， JESD51-3定義了單層PCB設(shè)計的測量規(guī)范， 而JESD51-7則規(guī)定了四層設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)? 包含兩層信號層、 一層電源平面及一層接地平面， 具體結(jié)構(gòu)如JEDEC示意圖所示。

LDO的自發(fā)熱效應(yīng)考量

估算LDO芯片結(jié)溫需要更深入的分析。除靜態(tài)功耗外， LDO的幾乎全部功耗等于壓差電壓乘以輸入電流。

以安森美的 NCP163 為例，假設(shè)應(yīng)用場景為圖像傳感器供電，輸入電壓VIN為5V。

LDO的性能特性主要受兩個因素影響： 輸出電流和環(huán)境溫度。 假設(shè)輸出電流IOUT為250mA（合理值）， 結(jié)合NCP163的輸出電壓VOUT為1.8V，則其耗散功率PD為0.8W。 將該數(shù)值代入溫度計算公式， 結(jié)合108°C/W的RθJA系數(shù)及略高于室溫25°C的環(huán)境溫度TA， 可得芯片結(jié)溫TJ為111.4°C。 這個溫度看起來“相當(dāng)涼爽” 。

然而， 實際情況并非如此樂觀。 如前所述， 圖像傳感器通常安裝在密閉的外殼或模塊中， 內(nèi)部空氣流通受限。 在這種封閉環(huán)境中， LDO自身散發(fā)的熱量會顯著抬高局部環(huán)境溫度。

一旦將環(huán)境溫度TA設(shè)為60°C進行計算， 芯片結(jié)溫將飆升至146.4°C。 該數(shù)值已超出推薦最大工作溫度（比絕對極限值更窄的范圍） 21°C以上——這可不"涼"。要使LDO芯片結(jié)溫回落至推薦范圍， 輸出電流IOUT必須降至175mA以下。 這可能導(dǎo)致該LDO無法納入某些電源樹方案。

未完待續(xù)。