基于低压差稳压器的工业图像传感器供电方案教程

《工业图像传感器供电方案教程》围绕稳压型降压电源、低压差稳压器(LDO)、Hyperlux CMOS图像传感器等展开讲解。

我们已经介绍过稳压型降压电源的关键组成部分、降压转换器的工作原理、连续导通与断续导通等。

本文将介绍低压差稳压器 (LDO) 的工作原理等。

低压差稳压器( LDO) 的工作原理

LDO 的工作原理类似于可变电阻， 其阻值会随电流大小成比例变化。 如图所示的基本电路中， LDO将输出电压 VOUT 送入内部衰减器， 再由衰减器将电压送至误差放大器的负输入端。 与此同时， 放大器的正输入端连接至基准电压 VREF，能够在工艺偏差、 电压波动和温度变化等条件下保持高度稳定。 这使得衰减器输出的电压与基准电压保持一致。

放大器的作用是通过调节其输出， 来平衡两个输入端的电压， 使其相等。

为此， 放大器驱动 MOSFET 的栅极驱动电路。 通过调整栅极驱动电压， 直至放大器正负输入端电压相等， LDO的高速模拟控制环路便能实现对输出电压 VOUT的稳压调节。

LDO压差电压的考量

与降压转换器不同， 其输出电流始终与输入电流不相等， 而LDO的输出电流与输入电流始终保持一致。 因此， LDO 最关键的特性便是其压差电压(dropout voltage) ——是指 LDO 能够保持正常稳压时， VIN 与 VOUT之间的最小允许压差。 该参数通常以 VDO 表示， 有时也会使用 VDS (指MOSFET 漏极与源极之间的压降)， 二者在物理意义上基本等效。 安森美(onsemi)将VDO 定义为： 当输出电压 VOUT 低于标称值 VOUT(NOM) 的2%时对应的电压差值。

公式为：

VDO表示为维持所需输出电压 VVOUT 所必需的最小压差。 对于任何 LDO， 随着输入电压 VIN 的升高， 该值VIN ‒ VOUT 实际上会减小， 因此需通过查阅数据手册中的曲线图来参考。

当LDO的压差电压减小时， 其效率会提高; 反之， 当压差电压提高时， 效率则会急剧下降。 例如， 一个输出电流为 500 mA、 输入电压 VIN =5V、 输出电压 VOUT =3.3V 的 LDO， 其 VDO显然为1.7V。 电阻值自然等于电压除以电流。 因此该元件的电阻 R 为1.7/0.5， 即 3.4Ω。 根据功率损耗公式P=I²R ， (0.5)²乘以3.4得出0.85。 850mW的功耗意味着： 对于 PIN 为2.5W(5些0.5) 的器件， 输出功率 POUT 等于 PIN 减去功耗， 即1.65W。 将 POUT除以 PIN 可得LDO效率仅为 66。

现在考虑另一款 500mA 器件： 输入电压 3.3V， 输出电压 2.8V。 此时电阻 R=0.5/0.5=1.0Ω。 功耗为(0.5)²些1=250mW。 因此， 对于 PIN 值为(3.3些0.5) = 1.65W 的器件， 输出功率 POUT 为1.4W， 整体效率达84.8%。

这一点之所以至关重要， 是因为它直接关系到热传递。 效率较低的器件会将更多功率转化为热量， 这意味着更高的结温。

估算LDO的输出电流

假设你的电源稳压器需要为负载提供 1.8 V / 100 mA 的供电。 由于 LDO 的输入电流始终等于其输出电流， 因此电源树第二级支路中的 LDO 必须提供 100 mA 的输出电流， 而第一级支路中的 LDO 同样也必须提供 100 mA 的输出电流。

然而， 假设你的负载设计需同时支持 JEDEC 标准定义的全部三个电源域。 此时， 电源树第二级支路的典型配置通常包括： 一个 LDO 为 VDDIO 提供 1.8V输出， 一个 LDO 为 VDD 提供 1.2 V 输出， 一个 LDO 为 VAA 提供 2.8 V 输出。 若每个电源域的负载电流均为 100 mA， 由于第一级支路的 LDO 需要为第二级支路中的全部三个 LDO 供电， 其输出电流必须等于三者之和， 即 300mA。

散热为何至关重要

在安森美及其竞争对手发布的线性稳压器(包括降压转换器和 LDO) 的交流与直流参数表中，每款器件都明确规定了在特定安全结温范围内，其电压和电流参数的最小值与最大值。只要芯片结温保持在公布范围内，安森美就保证其数据手册中所列的电气性能指标有效。

参数表中存在两组最小值与最大值：一组适用于工作温度，另一组适用于绝对极限温度。超出工作温度的最小值与最大值范围时，安森美无法保证器件性能。 若达到绝对极限温度，器件存在损坏风险。

以安森美 NCP163 LDO 为例

以下是一个基于安森美 NCP163 LDO 的实际案例。根据其数据手册中的规格参数表，该器件的最高结温 TJ为 150°C，最低存储温度为-55°C。 这两个值构成了其绝对极限温度范围。

在规格表下方，可找到其工作电压范围：在输入电压VIN介于 2.2 V 至 5.5 V 之间时，器件可保证性能稳定。根据“电气特性” 图表上方的说明，该性能保证在 -40℃至+125℃温度范围内有效——显然比前述绝对极限温度范围要窄。

此外，规格参数表中“Typ” (典型值)一列所列数值，对应典型结温(TJ)条件， NCP163 的典型结温为 25℃。 例如，表中给出的线路调节率或 LineReg的值为0.02 。这意味着在典型工作条件下，当输入电压变化时，输出电压的波动幅度不超过 2%。

以NCP114和NCP189 LDO 为例

安森美的 NCP114 LDO 和 NCP189 LDO 均在150°C温度下不会发生损坏。但NCP114的工作温度范围更窄： -40°C至+85℃。 NCP189在更高温度下仍能保证良好性能：工作范围为-40° C至+125°C。但两款器件的典型结温在150°C温度下不会发生损坏。但NCP114的工作温度范围更窄： -40°C至+85C。

NCP189在更高温度下仍能保证良好性能：工作范围为-40° C至+125°C。但两款器件的典型结温 TJ均为25°C。在为图像传感器电源树选取合适参数时，关注温度极限值至关重要。不同器件具有不同的工作特性，您的选择必须反映出应用场景中图像传感器对电源的预期工作条件。

未完待续。