《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。

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(jì)算熱耗散

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

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

絕大部分耗散功率由公式的第二項(xiàng)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(guò)壓差電壓閾值時(shí)， 輸出電壓將開(kāi)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(shí)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(guò)以下三種方式進(jìn)行熱傳遞：

傳導(dǎo)：通過(guò)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(shí)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(duì)流：依靠空氣流動(dòng)， 或在液冷情況下依靠液體流動(dòng)來(lái)傳遞熱量。 現(xiàn)實(shí)生活中對(duì)流的一個(gè)例子是篝火周圍的空氣流動(dòng)： 熱空氣上升， 將熱量向上帶走； 熱空氣移動(dòng)后留下的局部低壓區(qū)會(huì)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(wú)需介質(zhì)（盡管也可通過(guò)介質(zhì)進(jìn)行） 。 例如，太陽(yáng)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(wú)引腳封裝（DFN） 為例， 裸片（die） 產(chǎn)生的熱量一方面通過(guò)封裝材料傳導(dǎo)， 同時(shí)通過(guò)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(duì)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(shí)， 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(hào)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(jì)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(huì)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(gè)溫度范圍， 其中與器件日常工作相關(guān)的是較窄的那個(gè)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(cè)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(duì)器件中兩個(gè)或多個(gè)特定元件分別標(biāo)注） 。 安森美采用 RθJA符號(hào)表示該值， 業(yè)內(nèi)常稱其為"theta-JA"。 該參數(shù)涵蓋結(jié)點(diǎn)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(jiǎn)言之， RθJA表示器件每產(chǎn)生多少瓦功率熱量時(shí)， 其結(jié)溫比環(huán)境溫度高出的攝氏度數(shù)。 請(qǐng)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(duì)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(guò)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(jì)(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(cè)中指出某器件的熱阻值 RθJA為 65°C/W 時(shí)， 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(gè)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(shí)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(cè)中都會(huì)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(jì)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(jì)算公式如下：

JEDEC標(biāo)準(zhǔn)組織指出， PCB設(shè)計(jì)對(duì) RθJA 測(cè)量的影響占比高達(dá)60%。 為此，JEDEC在JESD51x系列文件中對(duì) θJX 的測(cè)量方法進(jìn)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(jì)的測(cè)量規(guī)范， 而JESD51-7則規(guī)定了四層設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)? 包含兩層信號(hào)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(chǎng)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(gè)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(jì)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(gè)溫度看起來(lái)“相當(dāng)涼爽” 。

然而， 實(shí)際情況并非如此樂(lè)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(huì)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(jìn)行計(jì)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(duì)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(wú)法納入某些電源樹(shù)方案。

未完待續(xù)。