基于降压转换器的工业图像传感器供电方案教程
在工业相机应用中，优化不充分的电源设计会显着增加开发成本和时间开销。决定工业图像传感器能否有效利用电力从而延长其使用寿命的关键部件是电源调节器。《工业图像传感器供电方案教程》 围绕稳压降压电源、低压差稳压器（LDO）、Hyperlux CMOS图像传感器等进行讲解。作为系列教程的第一部分，本文将介绍稳压降压电源的关键部件、降压转换器的工作原理、连续导通和间歇导通等。
您的图像传感器应用使用什么电源架构？
电源调节器负责确保电源在最稳定的电压下提供最可靠的电流，避免过度波动和噪声干扰。同时，它在管理电源散热和保持最佳工作条件（包括在不断变化的环境中）方面也发挥着至关重要的作用。
由于工业图像传感器需要执行多种功能，因此集成电路中不同功能所需的电压和电流也有所不同。因此，这些功能块通常被分配给相互隔离的电压轨。例如，提供给数字信号处理器（DSP）的电源与提供给接口和存储器缓冲器的电源具有不同的特性。
将这些电压轨相互隔离确实提高了电源设计的灵活性，但也要求为这些独立电压轨供电的稳压器能够可靠地执行所需的开关和配电任务，以支持集成电路的多种功能。
降压转换器
降压转换器是所有电子电路中最常见的元件之一。它可以产生低于输入电压的稳压输出电压，在提供高电流的同时最大限度地减少功率损耗。其核心原理是通过一个开关快速反复开通和关断，以降低负载——上的电压。正因为如此，基于降压转换器的电源被称为开关电源（Switch-Mode Power Supply，SMPS）。开关周期性地切断电源与负载之间的连接，使负载获得的平均电压低于输入电压；当开关关闭时，电容器继续向负载供电以保持电压稳定。
图为：onsemi FAN65004B 演示板
与通过开关模式调节电压的LDO 不同，线性稳压器、低压差稳压器(LDO) 使用单个MOSFET 直接降低输出端的电压。它没有开关动作，因此不会产生开关在导通和关断状态切换过程中产生的噪声。然而，LDO 的代价是效率较低，在计算功耗时必须始终考虑到这种效率损失。
图为：安森美半导体NCP189 演示板
降压转换器的工作原理
如图所示的基本降压转换器电路中，当开关S（通常是MOSFET）闭合时，直流输入电源VDC对电感L导通。随着电感的磁场增加，它会阻止流过它的电流的变化，并在磁场中存储能量。此时，电流通过电感同时流向电容C和负载电阻R，对电容充电。电感L和电容C共同组成LC低通滤波器，将原来方波、不均匀的波形平滑成更稳定的输出波形。
当开关S关断时，流过电感的电流逐渐减小。电感L的磁场开始衰减，产生反向电动势，从而成为新的电流源。只要电感两端的电压高于电容两端的电压，电感就会继续对电容充电。当两者的电压相等时，L和C开始将其存储的能量释放到负载电阻R，从而最小化负载两端的电压变化。当电流流过二极管D 时，二极管正向偏置，为电流旁路开关提供续流路径。这个过程使反馈电路能够工作。通过调节开关管的占空比，控制开关管S再次导通，对电感和电容进行充电。
作为基本降压转换器的重要改进，同步降压转换器（Synchronous Buck Converter）由两个功率MOSFET、一个输出电感和一个输出电容组成。两个MOSFET的开/关状态同步交替切换，从而更准确地调节输出电压。上图中MOSFET（高压侧）和Q2（低压侧）的交替导通状态由脉宽调制（PWM）控制器管理。低压侧Q2的漏极和高压侧Q1的源极共同连接至电感L1。此时，输出电压VOUT始终等于输入电压VIN乘以PWM控制器设定的占空比。
同步降压转换器中的功率流
当MOSFET Q1 导通时，其作用与基本降压转换器中的硬开关相同，但速度更快。当Q1导通时，电流从高压侧向负载供电，电感L1充电，电感电流IL上升。 Q1 关断后，Q2 导通。此时，电流从低压侧流向负载，电感L1开始放电，输入电流减小，电感电流IL逐渐减小。
此外，Q2还负责钳位开关节点电压：通过其体二极管将开关节点电压Vsw的负摆幅限制在合理的范围内，防止该电压在Q1关断过程中过度负摆幅。输出电流峰值之间的差值称为电感电流峰峰值，记为IL。
解释占空比
占空比是指一个开关周期内高侧MOSFET Q1处于导通状态的时间百分比，它决定了同步降压转换器的输出电压。对于任何给定的时间间隔t，占空比D 计算如下：
当占空比为50%（即0.5）时，如果输入电压VIN为12V，则输出电压VOUT将为6V。同样，相同输入电压下，占空比为0.75时，VOUT为9V；当占空比为0.25时，VOUT为3V。
上式中之所以使用，是因为：切换状态时必须留有很短的死区时间，以防止交叉导通，即“直通电流”，否则会造成直接对地短路。
任何降压转换器的输出电压和电流都会有一定量的纹波。该控制器本质上是一个内部振荡器，工作频率为500 kHz 至700 kHz，甚至高达2 MHz 至6 MHz，这会导致输出出现纹波。可以通过增加电容C1或提高开关频率来降低纹波，但较高的开关频率会产生电磁干扰(EMI)。
连续导通和间歇导通
同步降压转换器通常在中高负载下以连续导通模式(CCM) 运行，占空比由PWM 设置。此时，电感电流不会降至零安培（0A）。但当负载较轻时，电感电流可能会降至0A。此时转换器进入断续导通模式(DCM)。在这种状态下，由于电流在0A时不会造成损耗，为了进一步降低开关损耗，系统需要使用脉冲频率调制（PFM）来调整占空比。
两种工作模式各有优缺点：
CCM的优点是输出电压纹波较小，因此可以使用较小的输出电容；然而，其开关损耗通常较高。 DCM的优点是开关关断时电流已降至0A，因此开关损耗较低；同时可以使用更小的电感，漏磁也更少。但由于DCM电流较大，容易产生较强的电磁干扰EMI。
（CCM），占空比由PWM 设置。此时，电感电流不会降至零安培（0A）。但当负载较轻时，电感电流可能会降至0A。此时转换器进入断续导通模式(DCM)。在这种状态下，由于电流在0A时不会造成损耗，为了进一步降低开关损耗，系统需要使用脉冲频率调制（PFM）来调整占空比。
降压转换器中的功率损耗来源
任何类型的降压转换器（包括同步类型）都会产生一定程度的功率损耗，尽管可以将这些损耗降至最低，但无法完全消除。在评估降压转换器是否是比LDO 更好的图像传感器电源解决方案时，必须始终考虑这些损耗。器件在电压转换过程中不损失功率的比例就是其DC-DC转换效率（简称“效率”）。这个效率永远不可能达到100%。总功率中受运行损耗和静态损耗影响的部分等于1减去效率值。
传导损耗
根据焦耳定律（P=IR），电流引起的功率损耗与电流乘以电阻值的平方成正比。在降压转换器中，传导损耗发生在高侧MOSFET (Q1) 或低侧MOSFET (Q2) 完全导通（而不是开关）期间。此时的损耗仍然遵循焦耳定律，此时的电阻用内部导通电阻RDS(on)表示。
开关损耗
在开关过程中（例如，Q1导通，Q2截止，或相反），设计必须注意控制电压随时间的变化率（dV/dt），以避免可能损坏器件的电压尖峰。增加外部栅极电阻值会增加驱动电流能力，并使栅极电容更快地放电。这有助于缩短开关时间，从而减少开关损耗的机会，同时将电压转换速率(dV/dt) 提高到更高但仍然安全的水平。
静态损耗
元件的静态功率损耗（也称静态损耗）任何时候都会存在，不限于开关动作或通电状态。即使整个设备完全关闭，仍然存在少量的静电损失。该损耗值通常被认为可以忽略不计，约为微安(A)，并且通常为个位数。然而，运行条件下的静态损耗可能高达五倍，
计算降压转换器的输入电流
在考虑降压转换器时，电源树根部的一个关键且可能尚未解决的因素是所需的输入电流。通常，降压转换器的输出电流IOUT 与其输入电流IIN 不同，而同步降压转换器的IOUT 可能大于其IIN。但在降压转换器中，IIN 和IOUT 永远不会相等（LDO 始终相等）。
在本例中，电路将输入电压VIN 从5 V 降低到输出电压VOUT 1.8 V。假设负载电流IOUT 设置为350 mA，那么输入电流IIN 应该是多少？从工程师的角度来看，问题的核心是解决IIN。
第一步是确定所选降压转换器的DC-DC 转换效率。以安森美半导体的器件规格为例，输入5V、输出1.8V、输出电流350mA的器件额定效率为90%。
根据P=V·I公式，1.8V乘以0.35A可得出输出功率POUT为0.63W。根据定义，输出功率等于输入功率乘以转换效率，因此输入功率PIN等于输出功率除以转换效率。 0.63除以0.9，得到输入功率PIN=0.7W。
根据欧姆定律，IIN=PINVIN。将0.7 除以5 得到0.14A。考虑到可能的功率损耗，输出电流为350 mA 的降压转换器在上述电压规格下需要140 mA 的输入电流。
待续。
