《工業圖像傳感器供電方案教程》圍繞穩壓型降壓電源、低壓差穩壓器(LDO)、Hyperlux CMOS圖像傳感器等展開講解。

我們已經介紹過穩壓型降壓電源的關鍵組成部分、降壓轉換器的工作原理、連續導通與斷續導通等。

本文將介紹低壓差穩壓器 (LDO) 的工作原理等。

低壓差穩壓器( LDO) 的工作原理

LDO 的工作原理類似于可變電阻， 其阻值會隨電流大小成比例變化。 如圖所示的基本電路中， LDO將輸出電壓 VOUT 送入內部衰減器， 再由衰減器將電壓送至誤差放大器的負輸入端。 與此同時， 放大器的正輸入端連接至基準電壓 VREF，能夠在工藝偏差、 電壓波動和溫度變化等條件下保持高度穩定。 這使得衰減器輸出的電壓與基準電壓保持一致。

放大器的作用是通過調節其輸出， 來平衡兩個輸入端的電壓， 使其相等。

為此， 放大器驅動 MOSFET 的柵極驅動電路。 通過調整柵極驅動電壓， 直至放大器正負輸入端電壓相等， LDO的高速模擬控制環路便能實現對輸出電壓 VOUT的穩壓調節。

LDO壓差電壓的考量

與降壓轉換器不同， 其輸出電流始終與輸入電流不相等， 而LDO的輸出電流與輸入電流始終保持一致。 因此， LDO 最關鍵的特性便是其壓差電壓(dropout voltage) ——是指 LDO 能夠保持正常穩壓時， VIN 與 VOUT之間的最小允許壓差。 該參數通常以 VDO 表示， 有時也會使用 VDS (指MOSFET 漏極與源極之間的壓降)， 二者在物理意義上基本等效。 安森美(onsemi)將VDO 定義為： 當輸出電壓 VOUT 低于標稱值 VOUT(NOM) 的2%時對應的電壓差值。

公式為：

VDO表示為維持所需輸出電壓 VVOUT 所必需的最小壓差。 對于任何 LDO， 隨著輸入電壓 VIN 的升高， 該值VIN ? VOUT 實際上會減小， 因此需通過查閱數據手冊中的曲線圖來參考。

當LDO的壓差電壓減小時， 其效率會提高; 反之， 當壓差電壓提高時， 效率則會急劇下降。 例如， 一個輸出電流為 500 mA、 輸入電壓 VIN =5V、 輸出電壓 VOUT =3.3V 的 LDO， 其 VDO顯然為1.7V。 電阻值自然等于電壓除以電流。 因此該元件的電阻 R 為1.7/0.5， 即 3.4Ω。 根據功率損耗公式P=I2R ， (0.5)2乘以3.4得出0.85。 850mW的功耗意味著： 對于 PIN 為2.5W(5些0.5) 的器件， 輸出功率 POUT 等于 PIN 減去功耗， 即1.65W。 將 POUT除以 PIN 可得LDO效率僅為 66。

現在考慮另一款 500mA 器件： 輸入電壓 3.3V， 輸出電壓 2.8V。 此時電阻 R=0.5/0.5=1.0Ω。 功耗為(0.5)2些1=250mW。 因此， 對于 PIN 值為(3.3些0.5) = 1.65W 的器件， 輸出功率 POUT 為1.4W， 整體效率達84.8%。

這一點之所以至關重要， 是因為它直接關系到熱傳遞。 效率較低的器件會將更多功率轉化為熱量， 這意味著更高的結溫。

估算LDO的輸出電流

假設你的電源穩壓器需要為負載提供 1.8 V / 100 mA 的供電。 由于 LDO 的輸入電流始終等于其輸出電流， 因此電源樹第二級支路中的 LDO 必須提供 100 mA 的輸出電流， 而第一級支路中的 LDO 同樣也必須提供 100 mA 的輸出電流。

然而， 假設你的負載設計需同時支持 JEDEC 標準定義的全部三個電源域。 此時， 電源樹第二級支路的典型配置通常包括： 一個 LDO 為 VDDIO 提供 1.8V輸出， 一個 LDO 為 VDD 提供 1.2 V 輸出， 一個 LDO 為 VAA 提供 2.8 V 輸出。 若每個電源域的負載電流均為 100 mA， 由于第一級支路的 LDO 需要為第二級支路中的全部三個 LDO 供電， 其輸出電流必須等于三者之和， 即 300mA。

散熱為何至關重要

在安森美及其競爭對手發布的線性穩壓器(包括降壓轉換器和 LDO) 的交流與直流參數表中，每款器件都明確規定了在特定安全結溫范圍內，其電壓和電流參數的最小值與最大值。只要芯片結溫保持在公布范圍內，安森美就保證其數據手冊中所列的電氣性能指標有效。

參數表中存在兩組最小值與最大值：一組適用于工作溫度，另一組適用于絕對極限溫度。超出工作溫度的最小值與最大值范圍時，安森美無法保證器件性能。 若達到絕對極限溫度，器件存在損壞風險。

以安森美 NCP163 LDO 為例

以下是一個基于安森美 NCP163 LDO 的實際案例。根據其數據手冊中的規格參數表，該器件的最高結溫 TJ為 150°C，最低存儲溫度為-55°C。 這兩個值構成了其絕對極限溫度范圍。

在規格表下方，可找到其工作電壓范圍：在輸入電壓VIN介于 2.2 V 至 5.5 V 之間時，器件可保證性能穩定。根據“電氣特性” 圖表上方的說明，該性能保證在 -40℃至+125℃溫度范圍內有效——顯然比前述絕對極限溫度范圍要窄。

此外，規格參數表中“Typ” (典型值)一列所列數值，對應典型結溫(TJ)條件， NCP163 的典型結溫為 25℃。 例如，表中給出的線路調節率或 LineReg的值為0.02 。這意味著在典型工作條件下，當輸入電壓變化時，輸出電壓的波動幅度不超過 2%。

以NCP114和NCP189 LDO 為例

安森美的 NCP114 LDO 和 NCP189 LDO 均在150°C溫度下不會發生損壞。但NCP114的工作溫度范圍更窄： -40°C至+85℃。 NCP189在更高溫度下仍能保證良好性能：工作范圍為-40° C至+125°C。但兩款器件的典型結溫在150°C溫度下不會發生損壞。但NCP114的工作溫度范圍更窄： -40°C至+85C。

NCP189在更高溫度下仍能保證良好性能：工作范圍為-40° C至+125°C。但兩款器件的典型結溫 TJ均為25°C。在為圖像傳感器電源樹選取合適參數時，關注溫度極限值至關重要。不同器件具有不同的工作特性，您的選擇必須反映出應用場景中圖像傳感器對電源的預期工作條件。

未完待續。