大電流 LDO實(shí)現(xiàn)直接并聯(lián)和高功率密度

低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)長(zhǎng)期以來(lái)被認(rèn)為是低性能的廉價(jià)器件，尤其是在與相對(duì)復(fù)雜的開關(guān)穩(wěn)壓器相比時(shí)更是這樣，不過，性能提高已經(jīng)給簡(jiǎn)單和不顯眼的LDO 注入了新的活力。電源設(shè)計(jì)師正在從LDO性能的以下改進(jìn)中獲益。

* 壓差電壓更低，允許以更高效率轉(zhuǎn)換。

* LDO 并聯(lián)方法已經(jīng)得到極大簡(jiǎn)化。并聯(lián) LDO 將所散出的熱量分散到印刷電路板上，減少了熱點(diǎn)。

* 更低的輸出電壓與低壓電源軌需求相匹配。

* 低靜態(tài)電流延長(zhǎng)電池工作時(shí)間。

* 負(fù)載突降保護(hù)和更高的輸入電壓性能規(guī)格保護(hù)器件免受系統(tǒng)瞬態(tài)電壓影響，允許器件應(yīng)用于汽車和嚴(yán)酷的工業(yè)環(huán)境。

* 電池反向和反向電流保護(hù)功能保護(hù)器件和周圍系統(tǒng)，提高總體可靠性。

* 低輸出噪聲減輕對(duì)系統(tǒng)電磁干擾(EMI)的擔(dān)憂。

* 耐熱增強(qiáng)型封裝更高效率地將熱量從系統(tǒng)中散發(fā)出去。

這些特點(diǎn)加上設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單性，已經(jīng)使 LDO 逐步占據(jù)了以前由開關(guān)穩(wěn)壓器占領(lǐng)的1A~5A應(yīng)用領(lǐng)域。

現(xiàn)代表面貼裝印刷電路板

系統(tǒng)受到的限制

熱量

隨著更加復(fù)雜的制造技術(shù)、多層印刷電路板、更小和更薄的分立組件，以及更薄的集成電路封裝的出現(xiàn)，表面貼裝電路板設(shè)計(jì)也在逐步演變。制造技術(shù)的理想境界是，所有組件都是表面貼裝型的。問題是電源散熱?？偟膩?lái)說(shuō)，電源輸出電流受到表面貼裝集成電路功耗的限制，功耗大約為 2W。電流較高時(shí)，傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器需要散熱器，從而排除了全表面貼裝解決方案。一種可替代方案是高性能開關(guān)穩(wěn)壓器，這種穩(wěn)壓器提高了復(fù)雜性、成本和噪聲。另一種可替代方案是并聯(lián)多個(gè)共享負(fù)載的線性穩(wěn)壓器。這提高了可用輸出電流，并將耗散的功率分散到表面貼裝系統(tǒng)中更大的區(qū)域上。傳統(tǒng) LDO 很難并聯(lián)，但是新一代 LDO (如LT3080) 就非常容易并聯(lián)，甚至在電流非常高時(shí)也一樣。

低輸出電壓

新型高性能數(shù)字電路需要低于 1.2V 的電壓，而且所需電壓還會(huì)繼續(xù)降低。傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器采用 1.2V 基準(zhǔn)，這個(gè)基準(zhǔn)電壓被升壓以產(chǎn)生一個(gè)等于或高于 1.2V 的穩(wěn)定輸出。如果不在電路上做文章、增加外部組件，那么低于 1.2V 的輸出電壓是不可能實(shí)現(xiàn)的。而只有新一代線性穩(wěn)壓器能產(chǎn)生低于 1.2V 的電壓。LT3080 的電流源架構(gòu)允許它產(chǎn)生低至 0V 的輸出電壓。

一種新型架構(gòu)

——并聯(lián) 1.1A NPN LDO

印刷電路板上的并聯(lián)線性穩(wěn)壓器可以分散熱量，與單個(gè)集成電路相比可以提高最大輸出電流，并有助于保持低的電路板峰值溫度。傳統(tǒng)上，這一直需要一個(gè)外部運(yùn)算放大器和幾個(gè)電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)。LT3080則是高性能 1.1A 低噪聲 LDO，具有 NPN 功率電路，它可以非常容易地直接并聯(lián)(見圖 1)。這是由 LT3080 的獨(dú)特架構(gòu)決定的。該器件用精確電流源取代了傳統(tǒng) LDO 電壓基準(zhǔn)，這允許多個(gè)穩(wěn)壓器用一段非常短的印刷電路板走線作為鎮(zhèn)流器來(lái)共享電流?？刹⒙?lián)的穩(wěn)壓器沒有數(shù)量限制。



0V 輸出能力和用單個(gè)電阻設(shè)置 VOUT

這種基于電流基準(zhǔn)的新架構(gòu)還使得用單個(gè)電阻設(shè)置低至0V的 VOUT成為可能。有了這種提供零輸出的能力，LT3080 就能夠完成對(duì)系統(tǒng)某些部分?jǐn)嚯姷娜蝿?wù)。已微調(diào)的 10mA ±1% 電流基準(zhǔn)通過 SET 引腳提供。在 SET 引腳和地之間連入單個(gè)電阻，以產(chǎn)生成為誤差放大器基準(zhǔn)點(diǎn)的電壓。這個(gè)基準(zhǔn)電壓是 SET 引腳電流和電阻值直接相乘得出的。輸出電壓可以是從零直到由輸入電源決定的最大值之間的任何電壓。需要 1mA 的最低負(fù)載電流，以在任何輸出電壓情況下保持穩(wěn)壓。如圖 2 所示。



輸入電壓能力是 1.2V~36V(絕對(duì)最大值為 40V)。壓差電壓在滿負(fù)載時(shí)低至 300mV (兩個(gè)電源工作)，從而限制了功耗并提高了系統(tǒng)總體效率。在10Hz~100kHz的帶寬范圍內(nèi)，輸出噪聲僅為 40mVRMS。

保護(hù)功能包括折返限流和熱停機(jī)。該電路的直接并聯(lián)及寬 VIN 和 VOUT、嚴(yán)格的電壓和負(fù)載調(diào)節(jié)、高紋波抑制能力，以及使用很少的外部組件使其非常適用于現(xiàn)代多電源軌系統(tǒng)。

通路晶體管的集電極增加了分散熱量的途徑。還可以用外部電阻以非常低的成本進(jìn)一步分散熱量。

主要設(shè)計(jì)難題：不同情況下需要不同的保護(hù)

電池反向保護(hù)

在由電池供電的系統(tǒng)中，當(dāng)最終用戶將電池插反或接反時(shí)，可能引起損壞。在這種情況下，如果電路遭受了反向電壓電源, 則將會(huì)有很大的電流通過硅片中的寄生結(jié)點(diǎn)流至地，因而有可能毀壞電路中易損的結(jié)點(diǎn)。增加二極管可以起保護(hù)作用，但是在電池和電源軌之間引入二極管壓降會(huì)浪費(fèi)功率，并降低電源電壓。片上解決方案不僅保護(hù)了電路和負(fù)載，而且去掉了因增加外部組件而引起的問題。

輸出電壓反向保護(hù)

這種保護(hù)措施在以下情況下，可防止反向電流流過電路的寄生體二極管：

* 反向輸出電壓

* 負(fù)載返回到負(fù)電源

* 負(fù)電源在 VIN之前被接通

* 輸出在加電時(shí)處于負(fù)壓軌電壓

限流/短路保護(hù)

線性穩(wěn)壓器如果被迫提供過大的電流，就有可能損壞。這類保護(hù)電路在短路或過載情況下啟動(dòng)，這時(shí) VOUT VIN，限流電路防止過大的電流從 VIN 流向 VOUT。

在短路情況下，不僅通路晶體管提供過大電流，通路晶體管上的電壓也處于最大值(因?yàn)?VOUT為地電平，晶體管上的電壓為 VIN)。線性穩(wěn)壓器一般在芯片上使用兩種短路保護(hù)電路之一：恒定限流或形式更復(fù)雜的折返限流。給限流值增加折返量(或安全工作區(qū)(SOA)保護(hù))在輸入電壓提高時(shí)降低了限流值，以保持功率晶體管處于安全工作區(qū)。

反向電流保護(hù)

這種保護(hù)電路在 VOUT > VIN時(shí)、即 VIN短路或 VOUT被拉至高于 VIN 時(shí)啟用，可以防止任何反向電流從 VOUT 流向 VIN。

熱停機(jī)

這種保護(hù)起作用時(shí)，器件實(shí)際上是被關(guān)閉了，而且芯片必須根據(jù)內(nèi)置到熱停機(jī)電路中的遲滯量進(jìn)行冷卻。器件冷卻下來(lái)以后，就會(huì)被重新啟動(dòng)。如果存在故障或過載情況，那么該器件的溫度會(huì)一直升高，直至達(dá)到熱停機(jī)溫度并被關(guān)閉。因此，器件根據(jù)熱停機(jī)溫度、遲滯量、封裝和熱限制，以某種低頻和占空比進(jìn)行熱振蕩。

熱限制

熱限制是比熱停機(jī)稍微簡(jiǎn)單一點(diǎn)的方法。采用這種方法時(shí)，最高芯片溫度由保護(hù)電路控制。

高功率密度 1.1A PNP LDO

LT1965是采用低噪聲、低壓1.1A PNP功率電路的LDO，具有高功率密度。它在滿負(fù)載時(shí)具有僅為 300mV的低壓差電壓、具有 1.8V~20V的寬VIN能力和1.2V~19.5V 的可調(diào)低輸出電壓。僅為 40mVRMS的超低輸出噪聲降低了儀表、射頻、DSP和邏輯電源系統(tǒng)的噪聲，有益于后穩(wěn)壓開關(guān)電源。在整個(gè)電壓、負(fù)載和溫度范圍內(nèi)，輸出容限嚴(yán)格穩(wěn)定在±3% 之內(nèi)。該器件具有500mA(工作時(shí))和不到 1mA(停機(jī)時(shí))的低靜態(tài)電流，使其非常適合需要高輸出驅(qū)動(dòng)能力和低電流消耗的應(yīng)用。

LT1965 穩(wěn)壓器用低等效串聯(lián)電阻(ESR)、低至 10mF 的陶瓷輸出電容器優(yōu)化了穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)。這些纖巧的外部電容器無(wú)需任何串聯(lián)電阻就可使用，而在其它很多穩(wěn)壓器中串聯(lián)電阻是常見的。如圖3所示。內(nèi)部保護(hù)電路包括電池反向保護(hù)、無(wú)反向電流、輸出電壓反向保護(hù)、折返限流和熱限制 。



就需要大的輸入-輸出壓差的應(yīng)用而言，LT1965 可組成非常緊湊和高熱效率的解決方案。該芯片具有多種封裝選擇，從高功率密度、小占板面積、高熱效率的 DFN 和 MSOPE 封裝，到更加傳統(tǒng)的 DD-Pak 和 TO-220 功率封裝。

保護(hù)能力

LT1965 具有多種保護(hù)功能，非常適用于由電池供電的電路。除了與單片穩(wěn)壓器有關(guān)的常規(guī)保護(hù)功能 (如限流和熱限制)，該器件還可防止被反向輸入電壓、反向輸出電壓以及反向輸出-輸入電壓損壞。

限流保護(hù)和熱過載保護(hù)功能可以保護(hù) LT1965 免受其輸出端電流過載的影響，增加折返限流保護(hù)可保持功率晶體管處于安全工作區(qū)。

LT1965 的輸入可承受 22V(絕對(duì)最大值)反向電壓。該芯片將電流限制到低于 1mA(典型值低于200mA)，而且輸出沒有負(fù)壓出現(xiàn)。在電池接反時(shí)，該器件同時(shí)保護(hù)自身和負(fù)載免受損壞。

LT1965 的輸出被拉至低于地電平也不會(huì)引起損壞。如果輸入開路或接地，那么輸出可能被拉至低于地電平 22V(絕對(duì)最大值)。就可調(diào)版本而言，輸出就像開路一樣，沒有電流流出。不過，在設(shè)置輸出電壓的電阻分壓器中有電流流動(dòng)(但是受到電阻分壓器的限制)。如果輸入由電壓源供電，那么輸出源電流等于限流值，而且，LT1965 靠熱限制保護(hù)自身安全。在這種情況下，將 /SHDN 引腳接地可關(guān)閉該器件并禁止輸出電流。

如果 ADJ 引腳被拉至高于或低于地電平9V，不會(huì)引起 LT1965 損壞。如果輸入開路或接地，那么被拉至低于地電平時(shí)，ADJ 引腳就像開路一樣，在被拉至高于地電平時(shí)， ADJ 引腳就像一個(gè)與二極管串聯(lián)的大電阻一樣(ADJ 引腳電阻在3V時(shí)的典型值為5kW，9V時(shí)為1.5kW)。

注意，在 ADJ 引腳連接到電阻分壓器的情況下，如果輸出被拉高，那么ADJ 引腳會(huì)被拉至高于其 9V 箝位電壓，在這種情況下，ADJ 引腳輸入電流必須低于5mA。例如，一個(gè)電阻分壓器用來(lái)從1.20V 基準(zhǔn)提供一個(gè)穩(wěn)定的1.5V輸出，而輸出被強(qiáng)制為 20V。必須選擇電阻分壓器上面的電阻，以在ADJ引腳電壓為9V時(shí)，將進(jìn)入ADJ引腳的電流限制為低于5mA。OUT和ADJ引腳之間的11V壓差除以進(jìn)入ADJ引腳的最大電流5mA，得出分壓器上面電阻的最小阻值為 2.2kW。

在需要備份電池的電路中，可能出現(xiàn)幾種不同的輸入/輸出情況。輸入被拉至地電平、拉到某個(gè)中間電壓或開路時(shí)，輸出電壓仍然可以正常提供。

如果LT1965的IN引腳電壓被迫低于OUT引腳，或OUT引腳被拉至高于IN引腳，那么輸入電流一般會(huì)下降至低于2mA的水平。如果LT1965的輸入與一個(gè)放電(低電壓)電池相連，而且由一個(gè)后備電池或第二個(gè)穩(wěn)壓器來(lái)維持輸出，就會(huì)出現(xiàn)這種情況。如果輸出被拉至高于輸入，那么/SHDN引腳的狀態(tài)對(duì)反向輸出電流沒有影響。

結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)上，多軌、表面貼裝印刷電路板系統(tǒng)的電源部分充滿了線性穩(wěn)壓器和散熱器，這增大了尺寸、復(fù)雜性和成本;或者充滿了用于大電流應(yīng)用的開關(guān)穩(wěn)壓器?，F(xiàn)在已經(jīng)有新型線性穩(wěn)壓器可用，如LT3080。該器件以其基于電流的基準(zhǔn)架構(gòu)解決了與這類設(shè)計(jì)有關(guān)的各種問題，如過大的局部熱量、散熱器和過多的連線、無(wú)源組件。它通過直接并聯(lián)能夠獲得幾乎無(wú)限大的輸出電流、無(wú)需散熱器就可分散印刷電路板的熱量、可用單個(gè)電阻設(shè)置 VOUT，并可將輸出電壓調(diào)至 0V，而且產(chǎn)生的輸出噪聲非常低。

類似地，LT1965 1.1A PNP LDO與常規(guī)LDO穩(wěn)壓器相比具有更佳的性能，如高功率密度和寬輸入及輸出電壓范圍。該芯片的超低壓差允許實(shí)現(xiàn)效率較高的轉(zhuǎn)換和更長(zhǎng)的電池工作時(shí)間，因?yàn)樗浞值乩昧穗姵氐挠杏霉ぷ鲿r(shí)間。其低噪聲工作有益于后穩(wěn)壓開關(guān)穩(wěn)壓器以及敏感的光網(wǎng)絡(luò)、射頻和音頻系統(tǒng)。其耐熱增強(qiáng)型和緊湊型封裝允許組成占板面積小和散熱能力較高的解決方案。其保護(hù)功能包括電池反向保護(hù)、無(wú)反向電流、反向輸出電壓保護(hù)、折返限流和熱限制，這使LT1965適用于更多應(yīng)用，它不僅保護(hù)自身，還可以保護(hù)周圍系統(tǒng)組件的安全。