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》 关于稳压降压电源、低压差稳压器(LDO)、Hyperlux CMOS 图像传感器等的说明。

我们已经介绍了稳压降压电源的关键组件、降压转换器的工作原理、连续导通与断续导通等。

本文介绍了低压差稳压器(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，其阻值与电流成比例变化。在如图所示的基本电路中，LDO 将输出电压VOUT 发送到内部衰减器，然后衰减器将电压发送到误差放大器的负输入。同时，放大器的正输入端连接至参考电压VREF，这使其能够在工艺变化、电压波动和温度变化等条件下保持高度稳定。这使衰减器输出端的电压与参考电压保持一致。

放大器的作用是通过调整其输出来平衡两个输入端的电压，使它们相等。

为此，放大器驱动MOSFET 的栅极驱动电路。通过调节栅极驱动电压直到放大器正负输入端的电压相等，LDO的高速模拟控制环路可以调节输出电压VOUT。

LDO 压差注意事项

与输出电流始终不等于输入电流的降压转换器不同，LDO 的输出电流始终与输入电流一致。因此，LDO 最关键的特性是其压差。 ——是指LDO能够维持正常稳压时VIN和VOUT之间的最小允许电压差。该参数通常用VDO表示，有时也用VDS（指MOSFET的漏极和源极之间的压降）来表示。两者在物理意义上基本上是等价的。安森美半导体将VDO定义为：输出电压VOUT低于标称值VOUT(NOM)的2%时对应的电压差。

公式为：

VDO 表示维持所需输出电压VVOUT 所需的最小电压降。对于任何LDO，随着输入电压VIN 增加，VIN VOUT 值实际上会减小，因此请参阅数据表中的图表以供参考。

当LDO的压差降低时，其效率会提高；反之，当压差增大时，效率将急剧下降。例如，对于输出电流为500mA、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，该组件的电阻R 为1.7/0.5，即3.4。根据功率损耗公式P=IR，(0.5)乘以3.4得到0.85。 850mW 的功耗意味着：对于PIN 为2.5W (5 0.5) 的器件，输出功率POUT 等于PIN 减去功耗，即1.65W。 POUT 除以PIN 得出的LDO 效率仅为66。

现在考虑另一个500mA 器件：输入电压3.3V，输出电压2.8V。此时电阻R=0.5/0.5=1.0。功耗为(0.5)1=250mW。因此，对于PIN值为(3.30.5)=1.65W的器件，输出功率POUT为1.4W，整体效率达到84.8%。

这很重要，因为它与传热直接相关。效率较低的设备将更多的功率转化为热量，这意味着结温更高。

估计LDO 的输出电流

假设您的电源调节器需要向负载提供1.8 V/100 mA 的电压。由于LDO 的输入电流始终等于其输出电流，因此电源树第二支路中的LDO 必须提供100 mA 的输出电流，第一支路中的LDO 也必须提供100 mA 的输出电流。

但是，假设您的负载设计需要支持JEDEC 标准定义的所有三个电源域。此时，电源树二级分支的典型配置通常包括：1个LDO为VDDIO提供1.8V输出，1个LDO为VDD提供1.2V输出，1个LDO为VAA提供2.8V输出。如果每个电源域的负载电流为100mA，由于一级支路的LDO需要为二级支路的所有3个LDO供电，因此其输出电流必须等于三者之和，即300mA。

为什么冷却很重要

在安森美半导体及其竞争对手发布的线性稳压器（包括降压转换器和LDO）的交流和直流参数表中，每个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和最大值。安森美半导体保证，只要芯片结温保持在公布的范围内，其数据表中列出的电气性能规格就有效。

参数表中有两组最小值和最大值：一组用于工作温度，另一组用于绝对极限温度。安森美半导体无法保证在最低和最高工作温度范围之外的器件性能。如果达到绝对极端温度，则存在设备损坏的风险。

以安森美半导体NCP163 LDO为例

以下是基于安森美半导体NCP163 LDO的实际案例。根据其数据表中的规格表，该器件的最高结温TJ 为150C，最低存储温度为-55C。这两个值构成了它的绝对极限温度范围。

在规格表下方，您可以找到其工作电压范围：该器件保证在输入电压VIN 在2.2 V 至5.5 V 之间稳定运行。根据“电气特性”图表上方的描述，该性能保证在-40C 至+125C 的温度范围内有效。 ——显然比上面提到的绝对温度限制更窄。

此外，规格表中“Typ”栏中列出的值对应于典型结温（TJ）条件。 NCP163 的典型结温为25C。例如，表中给出的线路调整率或LineReg值为0.02。这意味着在典型工作条件下，当输入电压变化时，输出电压波动不超过2%。

以NCP114和NCP189 LDO为例

安森美半导体的NCP114 LDO 和NCP189 LDO 在高达150C 的温度下都不会损坏。但NCP114 的工作温度范围较窄：-40C 至+85C。 NCP189 在较高温度下仍能保持良好的性能：工作范围为-40C 至+125C。但是，两种器件的典型结温在150C 的温度下不会造成损坏。但NCP114 的工作温度范围较窄：-40C 至+85C。

NCP189 在较高温度下保持良好的性能：工作范围为-40C 至+125C。然而，这两种器件的典型结温TJ 均为25C。为图像传感器电源树选择适当的参数时，注意温度限制至关重要。不同的设备具有不同的工作特性，您的选择必须反映应用场景中图像传感器在电源上的预期工作条件。

待续。