大電流 LDO 應(yīng)用具增強(qiáng)的熱性能以減少了熱點(diǎn)

背景
隨著便攜式和非便攜式產(chǎn)品尺寸的減小，也需要相應(yīng)減小印刷電路板 (PCB) 的尺寸。單面電路板已經(jīng)讓位于雙面電路板，現(xiàn)在 4 至 16 層的電路板已經(jīng)司空見(jiàn)慣了。幾乎總能見(jiàn)到利用各種不同的板上穩(wěn)壓器進(jìn)行電源分配和負(fù)載點(diǎn)電壓轉(zhuǎn)換的實(shí)例。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器在很寬的電壓范圍內(nèi)以較高頻工作，但需要電感器，從而占用了大量電路板空間。人們也用充電泵或開(kāi)關(guān)電容器電壓轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換，但是其輸出電流能力有限，大約為 500mA，而且需要外部電容器以穩(wěn)定工作，但是一般來(lái)說(shuō)，就提供與開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器相當(dāng)?shù)妮敵?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/電流">電流而言，占用較少的電路板空間。低壓差 (LDO) 線性穩(wěn)壓器效率較低，但產(chǎn)生較低的噪聲，而且就降壓型應(yīng)用而言，使用也更簡(jiǎn)單。

新式表面貼裝 PCB 系統(tǒng)的限制
PCB 上產(chǎn)生局部熱點(diǎn)這個(gè)問(wèn)題很難解決。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器和充電泵由于采用開(kāi)關(guān)拓?fù)?，所以產(chǎn)生較少的熱量。而另一方面，視輸入至輸出電壓差、輸出電流和封裝熱特性的不同而不同，LDO 產(chǎn)生更多的熱量。表面貼裝電路板的設(shè)計(jì)隨著更加尖端的制造方法、多層 PCB、較小和較薄的分立式組件、以及較薄的 IC 封裝的采用而演變。傳統(tǒng)上，當(dāng)需要大電流時(shí)，在這類系統(tǒng)中采用了具功率封裝和散熱器的線性穩(wěn)壓器或開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。不幸的是，與全表面貼裝解決方案相比，使用散熱器使電路板更加復(fù)雜、昂貴和難以組裝了。直到現(xiàn)在，由于表面貼裝 IC 在電路板上的散熱限制，LDO 的功耗一直限制在約為 2W。在這類應(yīng)用中使用線性穩(wěn)壓器遇到的典型問(wèn)題包括：

•在表面貼裝系統(tǒng)中無(wú)法得到較大的輸出電流。并聯(lián)允許較大的輸出電流，并在表面貼裝系統(tǒng)中使功耗分散到較大的區(qū)域上。否則，當(dāng)穩(wěn)壓器貼裝到 PC 板表面時(shí)，較高的峰值溫度將使功耗限制為最大 2W。

•無(wú)法將輸出電壓調(diào)節(jié)至低于 1.2V。新的高性能數(shù)字電路需要低于 1.2V 的電壓。

•無(wú)法在所有表面貼裝系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)最佳使用。表面貼裝組件和高密度電路板排除了為較舊的線性穩(wěn)壓器配備散熱器的可能 (高度限制等)。

高性能開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器填補(bǔ)了這些空白，可提供較低的輸出電壓和最少的熱量積累。缺點(diǎn)是提高了成本和復(fù)雜性。不過(guò)現(xiàn)在，改進(jìn)的設(shè)計(jì)方法使低壓差穩(wěn)壓器在這一應(yīng)用領(lǐng)域占據(jù)了相當(dāng)大的份額，而且份額在日益增大。

一種新的架構(gòu) ━━ 可并聯(lián) 3A NPN LDO
LT3083 是一款 3A LDO，可非常容易地并聯(lián)，以分散熱量并提供較大的輸出電流。該器件采用電流源基準(zhǔn)和高電源電壓跟隨器。穩(wěn)壓器的跟隨器輸入連在一起 (SET 引腳)，僅用一小段 PC 走線作為鎮(zhèn)流器，就可以在多個(gè)穩(wěn)壓器之間實(shí)現(xiàn)輸出電流均分并分散熱量，從而無(wú)需散熱器，就能在全表面貼裝系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)數(shù)安培的輸出電流。

LT3083 在任何輸出電壓都能實(shí)現(xiàn)無(wú)與倫比 ±2mV 的穩(wěn)定度。該器件具 1.2V 至 18V (DD-Pak 和 TO-220 封裝) 的寬輸入電壓能力，當(dāng)用一個(gè)單獨(dú)的偏置電源工作時(shí)，其滿負(fù)載電流壓差僅為 310mV。輸出電壓可用單個(gè)電阻器調(diào)節(jié)和編程，涵蓋從 0V 至 17.5V 的寬電壓范圍，而且已微調(diào)的內(nèi)置 50µA 電流基準(zhǔn)達(dá)到了 ±1% 的高準(zhǔn)確度。由于該器件采用了單位增益電壓跟隨器架構(gòu)，所以穩(wěn)定性和輸出噪聲 (40µV_RMS) 不受輸出電壓影響。大的輸出電流、寬的輸入和輸出電壓范圍、嚴(yán)格的電壓和負(fù)載調(diào)節(jié)、高紋波抑制、很少的外部組件和并聯(lián)能力使 LT3083 非常適用于新式較大電流的多軌系統(tǒng)。

圖 1：LT3083 的典型應(yīng)用電路

LT3083 采用各種耐熱增強(qiáng)型表面貼裝兼容封裝，包括扁平 (0.75mm) 12 引線 4mm x 4mm DFN 和 16 引線耐熱增強(qiáng)型 TSSOP。在表面貼裝應(yīng)用中，這兩種封裝無(wú)需散熱器，就允許 2W 耗散。該器件還采用 5 引線 TO-220 和 DD-Pak 功率封裝，以安裝到散熱器上，從而允許更大的功率耗散。

較大基準(zhǔn)電流的優(yōu)勢(shì)
相比先于其推出的同類器件 (LT3080 / LT3082 / LT3085)，LT3083 的 SET 引腳電流為 50uA (前者則為 10uA)，因而對(duì)于影響實(shí)際輸出電壓的電路板漏電流不太敏感。對(duì)于因電路板清洗不良和 / 或污染所引起從 SET 至 GND 的給定漏電流，將呈現(xiàn)出一個(gè)較小的百分比誤差：50uA 比 10uA。另外，對(duì)于一個(gè)給定的輸出電壓，R_SET 電阻器的阻值較小 (它是一個(gè)較低阻抗節(jié)點(diǎn)，使得雜散信號(hào)不容易耦合進(jìn)來(lái))，從而可產(chǎn)生一個(gè)更加穩(wěn)定的輸出。該器件的 SET 引腳電流還具有很高的準(zhǔn)確度 (初始準(zhǔn)確度達(dá) 1%)，而且在整個(gè)溫度范圍內(nèi)也非常穩(wěn)定，如圖 2 所示。

圖 2：LT3083 的高度準(zhǔn)確 SET 引腳電流

流行的電路應(yīng)用：3A 電流源
這個(gè)新一代 NPN LDO 系列適用于各種創(chuàng)新性電路方案，其中的兩個(gè)是電流源和并聯(lián)配置。

與其他模擬電路相比，表面上看，電流源設(shè)計(jì)似乎相對(duì)容易，但實(shí)際上卻更復(fù)雜。盡管高質(zhì)量電壓源很常見(jiàn)，但是在凌力爾特推出 LT3092 之前，作為組件的電流源一直難以見(jiàn)到。將 LT3083 配置為電流源，可提供很多 LT3092 提供的功能，而且該電流源還提供高得多的供電電流 (3A 比 200mA)，參見(jiàn)圖 3 以獲得詳細(xì)信息。此外，這種電流源消除了傳統(tǒng)的分立式方案的多種問(wèn)題，尤其是希望隨溫度變化有較高的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性時(shí)。

圖 3：LT3083 配置為電流源

直接并聯(lián)的 IC 分散熱量
與單個(gè) IC 相比，在 PC 板上并聯(lián)的穩(wěn)壓器可以分散熱量，以幫助保持電路板峰值溫度在可接受的范圍，并提高最大輸出電流。傳統(tǒng)上，這需要一個(gè)外部運(yùn)算放大器和幾個(gè)電阻器來(lái)實(shí)現(xiàn)，以實(shí)現(xiàn)最佳平衡的電流均分。而 LT3083 可以非常容易和直接地并聯(lián) (即無(wú)需外部運(yùn)算放大器)，以分散熱量并提供較大的輸出電流，而且其輸出仍然可用單個(gè)電阻器調(diào)節(jié)。這允許采用 LT3083 實(shí)現(xiàn)全表面貼裝解決方案，而以前在這類解決方案中，一度使用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器或者因噪聲要求而決定使用配備散熱器的線性穩(wěn)壓器。直到不久前，表面貼裝 IC 散出有關(guān)的 2W 功率的能力還一直限制著大電流輸出?，F(xiàn)在，產(chǎn)生的熱量可以分散在幾個(gè)穩(wěn)壓器上，從而提供了較大的輸出電流。通過(guò)采用創(chuàng)新性電流基準(zhǔn)和跟隨器架構(gòu)，僅用一小段 PC 走線作為鎮(zhèn)流器，就可以在多個(gè)穩(wěn)壓器之間實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的電流均分，從而可在全表面貼裝系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)數(shù)安培的線性調(diào)節(jié)，而無(wú)需散熱器，如圖 4 所示。使通路晶體管的集電極可用，可進(jìn)一步增加散熱選擇。功耗可以分散在幾個(gè)穩(wěn)壓器上，以使系統(tǒng)板上不出現(xiàn)熱點(diǎn)。外部電阻器可用來(lái)以非常低的成本進(jìn)一步分散熱量。這種均分電流和功耗的能力使該穩(wěn)壓器非常適用于不想使用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的電路板電源。

圖 4：LT3083 并聯(lián)方案提供 6A 輸出電流，且無(wú)需散熱器

結(jié)論
傳統(tǒng)上，面向大電流應(yīng)用的多軌、表面貼裝 PCB 系統(tǒng)布滿了采用功率封裝和散熱器的線性穩(wěn)壓器，從而增大了尺寸、復(fù)雜性和成本，或者布滿了開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器?，F(xiàn)在，一種新的線性低壓差穩(wěn)壓器已上市，該穩(wěn)壓器繼續(xù)發(fā)揚(yáng)了凌力爾特 LT3080 系列的優(yōu)良傳統(tǒng)，那就是 3A LT3083。LT3083 憑借基于電流的基準(zhǔn)架構(gòu)和大的輸出電流，解決了通常與這類設(shè)計(jì)有關(guān)的多種問(wèn)題，包括局部熱量過(guò)高、散熱器和過(guò)多的導(dǎo)線、以及大量無(wú)源組件的問(wèn)題。這個(gè)創(chuàng)新性 IC 通過(guò)直接并聯(lián)，能提供幾乎無(wú)限的輸出電流，從而無(wú)需散熱器就能分散 PCB 的熱量，而且可用單個(gè)電阻器穩(wěn)定 V_OUT 并將輸出電壓調(diào)節(jié)至 0V，在實(shí)現(xiàn)所有這一切的同時(shí)，產(chǎn)生的輸出噪聲也很低。