負線性穩(wěn)壓器在 1 MHz 下具有 0.8 μV RMS 噪聲和 74 dB 電源抑制比

低壓差 (LDO) 線性穩(wěn)壓器廣泛應(yīng)用于噪聲敏感型應(yīng)用已有數(shù)十年了。然而，隨著最新的精密傳感器、高速和高分辨率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器 (ADC 和 DAC) 以及頻率合成器 (PLL/VCO) 不斷向傳統(tǒng)的 LDO 穩(wěn)壓器提出挑戰(zhàn)，以產(chǎn)生超低輸出噪聲和超高電源紋波抑制 (PSRR)，噪聲要求變得越來越難以滿足。例如，在為傳感器供電時，電源噪聲會直接影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。開關(guān)穩(wěn)壓器通常用于配電系統(tǒng)，以實現(xiàn)更高的整體系統(tǒng)效率。為了構(gòu)建低噪聲電源，LDO 穩(wěn)壓器通常會對噪聲相對較高的開關(guān)轉(zhuǎn)換器的輸出進行后級調(diào)節(jié)，而無需使用龐大的輸出濾波電容。LDO 穩(wěn)壓器的高頻 PSRR 性能變得至關(guān)重要。

2015 年推出的 LT3042 是業(yè)界首款在 1 MHz 下僅有 0.8 μV rms 輸出噪聲和 79 dB PSRR 的線性穩(wěn)壓器。兩款類似的器件 LT3045 和 LT3045-1 可提供更高的額定值和附加功能。所有這些器件都是正 LDO 穩(wěn)壓器。當(dāng)系統(tǒng)具有雙極性器件 (例如運算放大器或 ADC) 時，必須在極性電源設(shè)計中使用負 LDO 穩(wěn)壓器。LT3094 是首款具有超低輸出噪聲和超高 PSRR 的負 LDO 穩(wěn)壓器。表 1 列出了 LT3094 及相關(guān)器件的主要特性。

圖1 ?3.3 V 輸出低噪聲解決方案

典型應(yīng)用

LT3094 具有精密電流源基準(zhǔn)，后接高性能輸出緩沖器。負輸出電壓可通過流過單個電阻的 -100 μA 精密電流源進行設(shè)置。這種基于電流基準(zhǔn)的架構(gòu)可提供寬輸出電壓范圍 (0 V 至 -19.5 V)，并提供幾乎恒定的輸出噪聲、PSRR 和負載調(diào)節(jié)，與設(shè)置的輸出電壓無關(guān)。圖 1 顯示了一個典型應(yīng)用，演示板如圖 2 所示。整體解決方案尺寸大約僅為 10 mm × 10 mm。

圖2 演示電路顯示了一個 -3.3 V 微型解決方案

表 1 LT3094 和低噪聲 LDO 的特性

LT3094 具有超低輸出噪聲，在 10 Hz 至 100 kHz 范圍內(nèi)為 0.8 μV rms，并且在 1 MHz 時具有 74 dB 超高 PSRR。此外，LT3094 具有可編程電流限制、可編程電源良好閾值、快速啟動功能和可編程輸入至輸出電壓控制 (VIOC)。當(dāng) LT3094 對開關(guān)轉(zhuǎn)換器進行后級調(diào)節(jié)時，如果 LDO 穩(wěn)壓器輸出電壓可變，LDO 穩(wěn)壓器兩端的電壓將通過 VIOC 功能保持恒定。

LT3094 通過內(nèi)部保護功能避免器件損壞，包括具有折返功能的內(nèi)部限流、熱限制、反向電流和反向電壓保護。

圖3 兩個并聯(lián) LT3094 的原理圖

直接并聯(lián)實現(xiàn)更高的電流

LT3094 可以輕松并聯(lián)以增加輸出電流。圖 3 顯示了使用兩個并聯(lián)的 LT3094 實現(xiàn) 1A 輸出電流的解決方案。為了使兩個器件并聯(lián)，將 SET 引腳連接在一起，并在 SET 引腳和地之間放置一個 SET 電阻 RSET。流過 RSET 的電流為 200 μA，是單個器件中 SET 電流量的兩倍。為了獲得良好的均流特性，LT3094 的每個輸出都使用一個 20 mΩ 的小鎮(zhèn)流電阻。

圖4 顯示了圖 3 中電路的熱性能，其中輸入電壓為 ?5 V，輸出電壓為 ?3.3 V，運行于 1A 負載電流下。每個器件的溫度大約升至 50℃，表明熱量均勻分布。對于更高輸出電流和更低輸出噪聲，可以并聯(lián)的器件數(shù)量沒有限制。

圖4 兩個并聯(lián) LT3094 的熱圖像

具有可變輸出電壓的正負雙電源

電源通常配置由 LDO 穩(wěn)壓器進行后級調(diào)節(jié)的開關(guān)轉(zhuǎn)換器，以實現(xiàn)低輸出噪聲和高系統(tǒng)效率。為了在功耗和 PSRR 之間保持適當(dāng)?shù)臋?quán)衡，LDO 穩(wěn)壓器的輸入和輸出之間的優(yōu)化電壓差約為 -1 V。在可變輸出電壓系統(tǒng)中保持這種電壓差很復(fù)雜，但 LT3094 具有跟蹤功能 VIOC，即使輸出電壓變化，它也能在 LDO 穩(wěn)壓器兩端保持電壓恒定。

圖 5 是使用 LT8582 、LT3045-1 和 LT3094 的雙電源原理圖。LT8582 是一款具有內(nèi)置開關(guān)的雙通道 PWM DC/DC 轉(zhuǎn)換器，能夠從單個輸入產(chǎn)生正輸出和負輸出。LT8582 的第一個通道配置為 SEPIC 用于產(chǎn)生正輸出，第二個通道是反相轉(zhuǎn)換器用于產(chǎn)生負電源軌。在負電源軌中，LT3094 兩端的電壓由 VIOC 電壓控制 

(1)

其中 VFBX2 為 0 mV，IFBX 為 83.3 μA。將 R2 設(shè)置為 14.7 kΩ，則對于可變輸出電壓可將 VIOC 電壓設(shè)置為 1.23 V。電阻 R1 為 133 kΩ 時，將 LT3094 的輸入電壓限制為 16.5 V，則計算如下

(2)

電路在 12 V 輸入下運行的熱圖像如圖 6 所示。當(dāng)輸出電壓從 ±3.3 V 變化至 ±12 V 時，LT3094 的溫升保持不變。表 2 列出了所有三款器件的電壓和電流。圖 7 顯示了在 12 V 輸入下的 ±5 V 電源瞬態(tài)響應(yīng)。

在圖 5 中，除了 LT8582 的輸出電容之外，在 LT3094 的輸入端未放置額外電容。通常，輸入電容會降低輸出紋波，但對 LT3094 來說并非如此。如果 LT3094 具有輸入電容，則開關(guān)轉(zhuǎn)換器的開關(guān)電流將流過輸入電容，從而導(dǎo)致開關(guān)轉(zhuǎn)換器與 LT3094 輸出的電磁耦合。輸出噪聲會增加，從而使 PSRR 降低。如果開關(guān)穩(wěn)壓器位于具 LT3094 兩英寸的范圍以內(nèi)，為了獲得最佳的 PSRR 性能，我們建議不要在 LT3094 的輸入端放置電容。

圖5 可調(diào)節(jié)的雙輸出正/負電源具有高紋波抑制和低溫運行性能

圖6 12 V 輸入下的雙電源熱圖像

表2 12 V 輸入、±500 mA 負載下的雙輸出正/負電源的電路性能

結(jié)論

LT3094 是一款具有超低噪聲和超高 PSRR 的負 LDO 穩(wěn)壓器。它采用基于電流基準(zhǔn)的架構(gòu)，可使噪聲和 PSRR 性能獨立于輸出電壓，多個 LT3094 可以輕松并聯(lián)，以增加負載電流并降低輸出噪聲。當(dāng) LT3094 用于對開關(guān)轉(zhuǎn)換器進行后置調(diào)節(jié)時，VIOC 功能可以最大限度地降低 LDO 穩(wěn)壓器的功耗，使其成為可變輸出電壓應(yīng)用的理想選擇。

圖7 12 V 輸入、±5 V 輸出下的雙電源瞬態(tài)響應(yīng)

作者簡介

Huiyu (Molly) Zhu 是 ADI 公司 Power by Linear? 部門的高級應(yīng)用工程師。她于 1998 年和 2000 年分別獲得中國清華大學(xué)電子工程學(xué)士學(xué)位和碩士學(xué)位，并于 2005 年獲得弗吉尼亞理工學(xué)院暨州立大學(xué) (位于弗吉尼亞州布萊克斯堡) 電氣工程博士學(xué)位。