工业图像传感器供电方案教程：计算热耗散

《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。

本文将继续介绍热耗散、热阻等。

计算热耗散

LDO的耗散功率主要来自两个方面。 其中一个虽然很小， 但不可完全忽视。 它以微安（ μA） 为单位进行测量， 等于输入电压与静态电流的乘积： VIN · IGND 。实际上， 这表示元件即使未导通时也会消耗的功率。

第二部分耗散功率可通过压差电压（ 输入与输出电压差） 乘以输出电流IOUT（即 VIN ‒ VOUT） 来计算。 由此得出LDO耗散功率计算公式：

绝大部分耗散功率由公式的第二项决定。 压差电压是稳压器维持稳定所需的最小电压差。 当输入电压超过压差电压阈值时， 输出电压将开始急剧下降。

在图像传感器应用中， 电源稳压器的主要作用是将电源的输入电压降低至图像传感器及其他元件所需的工作电压。 为实现这一目的， 稳压器还必须具备良好的散热能力。

热量可通过以下三种方式进行热传递：

传导： 通过固体物体之间的直接物理接触传递热量。 分子之间必须足够靠近， 才能实现热量的传递。 在集成电路（IC） 元件中， 其所焊接在印刷电路板（PCB） 上的硅衬底是一种高效的热导体。

对流： 依靠空气流动， 或在液冷情况下依靠液体流动来传递热量。 现实生活中对流的一个例子是篝火周围的空气流动： 热空气上升， 将热量向上带走； 热空气移动后留下的局部低压区会吸入外部较冷的空气， 从而为火焰持续输送新鲜氧气。

辐射： 可在真空中发生且无需介质（尽管也可通过介质进行） 。 例如，太阳辐射穿越太空， 加热地球大气层。

以安森美（onsemi ）NCV8560 LDO 稳压器所采用的双列扁平无引脚封装（DFN） 为例， 裸片（die） 产生的热量一方面通过封装材料传导， 同时通过与PCB接触的芯片焊盘（Die-Attach Paddle,DAP） 散热。 此外， 也存在一定程度的对流散热： 气流将裸片（结温为 TJ） 的热量传递至器件周围环境温度 (TA) 的空气中。 同时， 辐射散热也从多处发生， 包括包裹裸片的封装材料、 连接裸片与信号引脚的引线框架， 以及衬底底部专为向外辐射热量而设计的金属镀层。

理解热阻（ RθJA）

降压转换器或LDO稳压器的规格参数会提供典型工作结温（与裸片温度基本一致）， 该温度适用于环境温度受控的条件。 规格中包含两个温度范围， 其中与器件日常工作相关的是较窄的那个范围： 即推荐的环境工作温度范围。

在半导体器件数据手册的热特性参数中， 最关键的数值之一便是热阻 θJA（某些情况下针对器件中两个或多个特定元件分别标注） 。 安森美采用 RθJA 符号表示该值， 业内常称其为"theta-JA"。 该参数涵盖结点J与环境A之间的热阻。 JEDEC标准采用 θJX表示相同概念， 其中X为代表任意环境的变量。

简言之， RθJA 表示器件每产生多少瓦功率热量时， 其结温比环境温度高出的摄氏度数。 请谨记： 功率即热量。 从技术角度讲， RθJA是指器件或其某一部分对热传导的阻力， 即热阻， 单位为摄氏度每瓦（°C/W）。 需注意， 传导是指通过直接接触传递热量。 theta-JA值越高， 意味着散热性能越差， 从而导致结温升高。

图 — 多 层 PCB横截面示意图， 显示导线和介质层厚度

图左，嵌套式PCB设计(44-176PQFP封装)(虚线表示可能的布线路径)

图右，电源层和接地层的端接及布线方案

当数据手册中指出某器件的热阻值 RθJA 为 65°C/W 时， 意味着其每消耗1瓦功率， 结温 TJ 将上升65°C。 假设两个器件具有相同的耗散功率 PD，则热阻 RθJA 较低的器件温度更低。

由于结温 TJ 同时取决于热阻 RθJA 和耗散功率 PD， 安森美在其所有 IC的数据手册中都会明确标出 RθJA 值。 该指标常被用作比较不同半导体供应商IC产品热效率的重要依据。

Theta-JA（ 即 RθJA） 的计算公式为结温 TJ 高于环境温度 TA 的温差除以损耗功率 PD 。 计算公式如下：

JEDEC标准组织指出， PCB设计对 RθJA 测量的影响占比高达60%。 为此，JEDEC在JESD51x系列文件中对 θJX 的测量方法进行了标准化。 该系列标准中， JESD51-3定义了单层PCB设计的测量规范， 而JESD51-7则规定了四层设计标准⸺ 包含两层信号层、 一层电源平面及一层接地平面， 具体结构如JEDEC示意图所示。

LDO的自发热效应考量

估算LDO芯片结温需要更深入的分析。除静态功耗外， LDO的几乎全部功耗等于压差电压乘以输入电流。

以安森美的 NCP163 为例，假设应用场景为图像传感器供电，输入电压VIN为5V。

LDO的性能特性主要受两个因素影响： 输出电流和环境温度。 假设输出电流IOUT为250mA（合理值）， 结合NCP163的输出电压VOUT为1.8V，则其耗散功率PD为0.8W。 将该数值代入温度计算公式， 结合108°C/W的RθJA系数及略高于室温25°C的环境温度TA， 可得芯片结温TJ为111.4°C。 这个温度看起来“相当凉爽” 。

然而， 实际情况并非如此乐观。 如前所述， 图像传感器通常安装在密闭的外壳或模块中， 内部空气流通受限。 在这种封闭环境中， LDO自身散发的热量会显著抬高局部环境温度。

一旦将环境温度TA设为60°C进行计算， 芯片结温将飙升至146.4°C。 该数值已超出推荐最大工作温度（比绝对极限值更窄的范围） 21°C以上——这可不"凉"。要使LDO芯片结温回落至推荐范围， 输出电流IOUT必须降至175mA以下。 这可能导致该LDO无法纳入某些电源树方案。

未完待续。