工業圖像傳感器供電方案教程：計算熱耗散
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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。
低壓差穩壓器 (LDO) 的工作原理等。
本文將繼續介紹熱耗散、熱阻等。
計算熱耗散LDO的耗散功率主要來自兩個方面。 其中一個雖然很小， 但不可完全忽視。 它以微安（ μA） 為單位進行測量， 等于輸入電壓與靜態電流的乘積： VIN · IGND 。實際上， 這表示元件即使未導通時也會消耗的功率。
第二部分耗散功率可通過壓差電壓（ 輸入與輸出電壓差） 乘以輸出電流IOUT（即 VIN ? VOUT） 來計算。 由此得出LDO耗散功率計算公式：
熱量可通過以下三種方式進行熱傳遞：
傳導： 通過固體物體之間的直接物理接觸傳遞熱量。 分子之間必須足夠靠近， 才能實現熱量的傳遞。 在集成電路（IC） 元件中， 其所焊接在印刷電路板（PCB） 上的硅襯底是一種高效的熱導體。對流： 依靠空氣流動， 或在液冷情況下依靠液體流動來傳遞熱量。 現實生活中對流的一個例子是篝火周圍的空氣流動： 熱空氣上升， 將熱量向上帶走； 熱空氣移動后留下的局部低壓區會吸入外部較冷的空氣， 從而為火焰持續輸送新鮮氧氣。
輻射： 可在真空中發生且無需介質（盡管也可通過介質進行） 。 例如，太陽輻射穿越太空， 加熱地球大氣層。以安森美（onsemi ）NCV8560 LDO 穩壓器所采用的雙列扁平無引腳封裝（DFN） 為例， 裸片（die） 產生的熱量一方面通過封裝材料傳導， 同時通過與PCB接觸的芯片焊盤（Die-Attach Paddle,DAP） 散熱。 此外， 也存在一定程度的對流散熱： 氣流將裸片（結溫為 TJ） 的熱量傳遞至器件周圍環境溫度 (TA) 的空氣中。 同時， 輻射散熱也從多處發生， 包括包裹裸片的封裝材料、 連接裸片與信號引腳的引線框架， 以及襯底底部專為向外輻射熱量而設計的金屬鍍層。
降壓轉換器或LDO穩壓器的規格參數會提供典型工作結溫（與裸片溫度基本一致）， 該溫度適用于環境溫度受控的條件。 規格中包含兩個溫度范圍， 其中與器件日常工作相關的是較窄的那個范圍： 即推薦的環境工作溫度范圍。
在半導體器件數據手冊的熱特性參數中， 最關鍵的數值之一便是熱阻 θJA（某些情況下針對器件中兩個或多個特定元件分別標注） 。 安森美采用 RθJA 符號表示該值， 業內常稱其為"theta-JA"。 該參數涵蓋結點J與環境A之間的熱阻。 JEDEC標準采用 θJX表示相同概念， 其中X為代表任意環境的變量。簡言之， RθJA 表示器件每產生多少瓦功率熱量時， 其結溫比環境溫度高出的攝氏度數。 請謹記： 功率即熱量。 從技術角度講， RθJA是指器件或其某一部分對熱傳導的阻力， 即熱阻， 單位為攝氏度每瓦（°C/W）。 需注意， 傳導是指通過直接接觸傳遞熱量。 theta-JA值越高， 意味著散熱性能越差， 從而導致結溫升高。
圖左，嵌套式PCB設計(44-176PQFP封裝)(虛線表示可能的布線路徑)
圖右，電源層和接地層的端接及布線方案
當數據手冊中指出某器件的熱阻值 RθJA 為 65°C/W 時， 意味著其每消耗1瓦功率， 結溫 TJ 將上升65°C。 假設兩個器件具有相同的耗散功率 PD，則熱阻 RθJA 較低的器件溫度更低。
由于結溫 TJ 同時取決于熱阻 RθJA 和耗散功率 PD， 安森美在其所有 IC的數據手冊中都會明確標出 RθJA 值。 該指標常被用作比較不同半導體供應商IC產品熱效率的重要依據。Theta-JA（ 即 RθJA） 的計算公式為結溫 TJ 高于環境溫度 TA 的溫差除以損耗功率 PD 。 計算公式如下：
LDO的性能特性主要受兩個因素影響： 輸出電流和環境溫度。 假設輸出電流IOUT為250mA（合理值）， 結合NCP163的輸出電壓VOUT為1.8V，則其耗散功率PD為0.8W。 將該數值代入溫度計算公式， 結合108°C/W的RθJA系數及略高于室溫25°C的環境溫度TA， 可得芯片結溫TJ為111.4°C。 這個溫度看起來“相當涼爽” 。
然而， 實際情況并非如此樂觀。 如前所述， 圖像傳感器通常安裝在密閉的外殼或模塊中， 內部空氣流通受限。 在這種封閉環境中， LDO自身散發的熱量會顯著抬高局部環境溫度。一旦將環境溫度TA設為60°C進行計算， 芯片結溫將飆升至146.4°C。 該數值已超出推薦最大工作溫度（比絕對極限值更窄的范圍） 21°C以上——這可不"涼"。要使LDO芯片結溫回落至推薦范圍， 輸出電流IOUT必須降至175mA以下。 這可能導致該LDO無法納入某些電源樹方案。
未完待續。
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