降压转换器与LDO的优劣对比

《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。

低压差稳压器 (LDO) 的工作原理等。

计算热耗散等

本文将继续介绍降压转换器的自发热效应考量、降压转换器与LDO的优劣对比等。

降压转换器的自发热效应考量

在评估各类降压转换器用于功率稳压时，必须估算其裸片温度或结温。计算该值需理解：瓦特即功率，而功率即热量。降压转换器的耗散功率计算公式非常简洁

其中， 输出功率 POUT 与输入功率 PIN 的比值即为该器件的效率。 输入电压 VIN由图像传感器的应用场景决定。 根据欧姆定律， 可通过 PIN 除以 VIN 来计算输入电流 IIN 。

以安森美(onsemi) FAN53745 降压转换器为例， 本应用所需的输入电压 VIN 为 5V， 输出电流 IOUT 为 470 mA， 输出电压 VOUT 为 3.2 V。 根据器件数据手册中“负载电流与效率” 曲线图可确定其效率： 在代表 VIN =4.9V 的红色曲线上，当负载电流为 470 mA 时， 效率约为 90%。 代入上述公式， 可得功耗 PD 约为167 mW。

得到 PD 后， 下一步需结合数据手册中的 θ-JA(热阻) 和环境温度参数， 安森美部分数据手册使用缩写 QJA 表示 RθJA 。 对于 FAN53745， 其 RθJA 为 65°C/W， 推荐环境温度为 60°C。据此计算， FAN53745 的芯片结温为70.9℃。

图 — 效率与负载电流及输入电压的关系， FPWM 模式

降压转换器与LDO的优劣对比

0.5 A

高精度(0.7%)

超低噪声高电源抑制比(PSRR)

热阻(RθJA)： 60°C/W

芯片结温： 107°C

工作温度范围：-40℃ to 125℃

效率: 36%

官网报价:$0.26

假设你需要设计一个电源树，以满足以下图像传感器应用的参数要求：输入电压 VIN 为5V，输出电压 VOUT 为1.8V，输出电流 IOUT 为 350mA，环境温度设定为较高的60°C。

参考安森美的 NCP189 LDO，其热阻 RθJA 为60°C/W，据此计算出的裸片结温 TJ 为107°C。其效率仅为约 36%，这一因素很可能在实际应用中产生重要影响。截至本文撰写时， NCP189 的官网报价(WP，即安森美针对小批量采购、未含任何折扣的公开报价) 为每颗 0.26美元。

同步整流

3.33 MHz

1A

1 x 1.5mm

热阻(RθJA)： 65°C/W

芯片结温： 64.5°C

工作温度范围：-40℃ to 85°C

效率: 90%

官网报价: $0.40

在安森美的产品中，与该 LDO 工作特性最接近的降压转换器是 FAN53745 。 尽管其热阻 RθJA为65°C/W， 但由于其效率高达约 90%， 计算得出的结温 TJ 仅为64.5°C， 明显更低。 FAN53745 的官网报价略高，为每颗 0.40 美元。

由此可见， 降压转换器在温度控制方面具有显著优势， 但显然这种优势需要付出更高的成本。

若能接受107°C的 TJ 值， LDO仍是理想选择。 若面临狭窄封装空间的限制、 散热受限，降压转换器是更好的选择。

外壳与模块如何加剧散热问题 图像传感器通常置于模块或外壳内部。 因此电源稳压器未必能享有充足的流动气流和下方大面积PCB散热面。 PCB散热面本应提供热容量以帮助IC散热， 但在空间极为有限的外壳中， 该散热面可能无法达到理想尺寸。

外壳会封闭大部分甚至全部环境空气， 导致封闭空气的温度升高， 从而加速IC的自发热趋势， 此时IC更像是微型本生灯。 因此在设计电源树时， 必须同时考虑热传递的三种方式——传导、 对流和辐射。

电网供电 vs. 离网供电的设计考量 假设您的图像传感器应用需要至少500mV的降压电压。 若图像传感器应用通过交流电网供电(无论采用以太网供电PoE还是AC/DC适配器)， 从工程实践的角度来看， 这等同于拥有无限电源。 因此即使LDO的效率低于降压转换器， 该因素在电源树考量中影响有限。

另一方面， 若应用采用电池供电或太阳能等可再生能源供电， 效率便成为首要考量。 由于能源并非无限， 您可能会倾向于选择效率更高、 能耗更低的降压转换器。 电池具有单位成本， 减少电池数量对降低整体运营成本也具有显著意义。

选择降压转换器还是LDO ? 过去， 在为降压应用选择LDO或降压转换器时， 工程师常遵循一条经验法则： 若负载电流低于200 mA， 选用 LDO; 若高于200 mA， 则选用同步降压转换器。(该规则本身存在一定波动性; 在某些情况下，阈值可能浮动为300mA。 )

随着制造工艺和器件规格的不断进步， 如今的经验法则更为精细化，更接近于一个流程：

1. 优先假定选用 LDO。 多数情况下LDO成本更低。

2. 查阅候选 LDO 的数据手册， 确定其最大推荐工作温度(取自较窄的温度范围， 而非绝对最高温度) 。

3. 将该温度乘以 85%(0.85) 以预留安全裕量， 此即"安全温度"。

4. 运用前文公式计算候选 LDO 的芯片结温TJ 。

5. 若 TJ 超过安全温度， 则寻找环境温度额定值更低或 θ-JA 值更低的 LDO。

6. 若无 LDO 能满足安全温度要求， 则考虑使用同步降压转换器。

需注意特殊情况： 密闭外壳或模块会阻碍气流， 导致环境温度升高并加剧IC自发热效应。 此类场景下， 建议优先选用降压转换器替代LDO。 此外， 在电池供电应用(如远程物联网摄像头) 中， 降压转换器能提供更高效率， 可显著延长电池续航时间。

未完待续，下篇推文将继续介绍电源树、噪声影响、安森美经典LDO产品等知识点。