通過(guò)主動(dòng)輸出放電功能來(lái)保護(hù)敏感和昂貴的負(fù)載

摘要：傳統(tǒng)上，一直用高效率開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器給這類器件供電，但是開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器可能有潛在的噪聲干擾問(wèn)題以及瞬態(tài)響應(yīng)和布局限制。因此， 低壓差(LDO)線性穩(wěn)壓器在這類應(yīng)用以及其他低壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中開(kāi)始受到關(guān)注。本文通過(guò)介紹LDO和其他穩(wěn)壓器面臨的挑戰(zhàn)以及凌力爾特公司的LT306x 系列穩(wěn)壓器，說(shuō)明了在新的電路設(shè)計(jì)方法和改進(jìn)的芯片制造工藝下LDO的特點(diǎn)以及應(yīng)用前景。

背景信息

　　線性穩(wěn)壓器普遍用于現(xiàn)代電子系統(tǒng)中。盡管低壓差 (LDO) 線性穩(wěn)壓器極少成為最昂貴的系統(tǒng)組件，但是從成本/效益角度來(lái)看，這種穩(wěn)壓器卻常常是很有價(jià)值的組件之一。LDO其中一個(gè)任務(wù)是保護(hù)下游負(fù)載，避免因嚴(yán)酷的環(huán)境條件而損壞。例如，因溫度偏移、電壓瞬態(tài)、電源噪聲、電壓反向、電流浪涌以及 EMI 或 ESD 而被損壞。簡(jiǎn)言之，其設(shè)計(jì)必須堅(jiān)固可靠，并包含減輕環(huán)境影響所需的所有保護(hù)功能，同時(shí)保護(hù)負(fù)載。很多低成本 LDO 線性穩(wěn)壓器不包含必要的保護(hù)功能，因此，無(wú)法起到保護(hù)作用，常常不僅引起穩(wěn)壓器損壞，還導(dǎo)致負(fù)載受損。

　　LDO適用于需要保護(hù)昂貴和敏感的負(fù)載系統(tǒng)，例如圖像傳感器系統(tǒng)。圖像傳感器通常包含尖端、昂貴的數(shù)字 IC，這些 IC 獲取圖像，并將其直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像。兩種最流行的圖像傳感器是電荷耦合器件 (CCD) 和 CMOS 成像儀。諸如內(nèi)窺鏡、安防攝像頭等各種設(shè)備都包含圖像傳感器。

　　有些應(yīng)用要求在通電和斷電時(shí)控制電源周期。在多軌系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA、ASIC、DSP、微處理器以及其他數(shù)字 IC 要求多個(gè)電壓軌必須以特定順序啟動(dòng)和關(guān)斷。否則，這些 IC 就有可能損壞，或者系統(tǒng)的加電復(fù)位邏輯可能出現(xiàn)訛誤。對(duì)于必須控制輸出狀態(tài)的系統(tǒng)而言，如軍事、航空電子或航天等高可靠性系統(tǒng)都是非常典型的例子，尤其是如果需要電源電壓不斷循環(huán)接通和斷開(kāi)時(shí)。

　　LDO 可以運(yùn)用主動(dòng)輸出放電功能來(lái)滿足系統(tǒng)的斷電要求，主動(dòng)輸出放電功能可使 LDO 的輸出快速放電，而不必依靠 LDO 的負(fù)載或 LDO 的電阻分壓器給輸出放電。如果去掉輸入電壓，或者如果啟動(dòng)關(guān)斷功能，那么具有主動(dòng)輸出放電功能的 LDO 可以由一個(gè) NMOS 開(kāi)關(guān)快速拉低輸出電壓。具有主動(dòng)輸出放電功能的器件主要優(yōu)勢(shì)是，斷電時(shí)，輸出處于已知狀態(tài)。無(wú)論負(fù)載狀態(tài)如何，這類器件的輸出始終按照預(yù)期快速放電。就關(guān)斷時(shí)要求準(zhǔn)確電源排序的應(yīng)用 (例如：圖像傳感器和微控制器) 而言，能夠主動(dòng)輸出放電是很重要的。

低壓差線性穩(wěn)壓器 (LDO) 與其他穩(wěn)壓器的比較

　　低壓降壓型轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓可以通過(guò)多種方法實(shí)現(xiàn)。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器在很寬的電壓范圍內(nèi)以高效率運(yùn)行，但需要磁性組件和電容器才能工作，因此，占用的電路板空間相對(duì)較大。充電泵 (或開(kāi)關(guān)電容器電壓轉(zhuǎn)換器) 可用來(lái)實(shí)現(xiàn)更低壓的轉(zhuǎn)換，但是輸出電流能力受限，而且需要外部電容器才能工作和穩(wěn)定。低壓差線性穩(wěn)壓器通常效率較低，但產(chǎn)生的噪聲也較小，而且更易于用來(lái)實(shí)現(xiàn)降壓型應(yīng)用。不過(guò)，現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和芯片制造工藝已經(jīng)使低壓差線性穩(wěn)壓器 (LDO) 能夠進(jìn)一步深入降壓型應(yīng)用領(lǐng)域。現(xiàn)在，低壓差線性穩(wěn)壓器具備快瞬態(tài)響應(yīng)、低壓差電壓、低壓運(yùn)行 (輸出通常低至 0.6V)、大輸出電流以及能夠用單電源工作的能力。

　　目前，一代快速、大電流、低壓數(shù)字 IC (例如：FPGA、DSP、CPU 和 ASIC) 對(duì)于給內(nèi)核及 I/O 通道供電的電源要求很嚴(yán)格。不過(guò)，從供電角度考慮，這些數(shù)字 IC 不夠穩(wěn)定。傳統(tǒng)上，一直用高效率開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器給這類器件供電，但是開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器可能有潛在的噪聲干擾問(wèn)題以及瞬態(tài)響應(yīng)和布局限制。因此， LDO作為可以選擇的器件，在這類應(yīng)用以及其他低壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，開(kāi)始找到用武之地。由于最近的產(chǎn)品創(chuàng)新和功能增強(qiáng)，新的 LDO 幾乎不需要在性能上做出折中。

LDO 設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

　　大量工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)線性穩(wěn)壓器用單個(gè)電壓源以低壓差運(yùn)行，但是大多數(shù)穩(wěn)壓器不能同時(shí)提供電壓和輸出噪聲非常低的轉(zhuǎn)換 (輸出低至 0.6V)、很寬的輸入 / 輸出電壓范圍和廣泛的保護(hù)功能。PMOS LDO 能夠用單個(gè)電源以低壓差運(yùn)行，但是受到通路晶體管 VGS 特性的限制，輸入電壓不能很低?；?NMOS 的器件提供快速瞬態(tài)響應(yīng)，但是需要兩個(gè)電源來(lái)偏置該器件。NPN 穩(wěn)壓器提供很寬的輸入和輸出電壓范圍，但是需要兩路電源電壓或較大的壓差。相比之下，PNP 穩(wěn)壓器如果架構(gòu)設(shè)計(jì)得當(dāng)，可以用單個(gè)電源實(shí)現(xiàn)很低的壓差、很高的輸入電壓、低噪聲和低壓轉(zhuǎn)換，而且能夠提供可靠的保護(hù)。

　　隨著工藝技術(shù)節(jié)點(diǎn)的不斷縮小，現(xiàn)代數(shù)字 IC 需要以更低的電壓運(yùn)行。就很多現(xiàn)有輸入電壓軌而言，以較大電流和更低的輸出電壓運(yùn)行意味著線性穩(wěn)壓器的功耗會(huì)增大，增加的功耗直接轉(zhuǎn)換成了熱量。因此，需要采用最新封裝方法，以最大限度減少穩(wěn)壓器內(nèi)部的溫度上升，并限制應(yīng)用的熱量問(wèn)題。此外，能夠以低壓差運(yùn)行的線性穩(wěn)壓器 (最大限度減小輸入和輸出電壓之差，同時(shí)穩(wěn)壓器保持對(duì)輸出的調(diào)節(jié)和穩(wěn)定性) 可降低功耗，因此減輕了熱量問(wèn)題。

　　還有兩項(xiàng)挑戰(zhàn)是需要高的電源紋波抑制比 (PSRR) 和低的輸出電壓噪聲。具有高的電源紋波抑制比的器件很容易濾除和抑制來(lái)自輸入的噪聲，產(chǎn)生干凈、穩(wěn)定的輸出。此外，在很寬的帶寬上輸出電壓噪聲很低的器件對(duì)現(xiàn)今的電壓軌是有益的，因?yàn)閷?duì)現(xiàn)代電壓軌而言，噪聲敏感性是需要考慮的因素。大電流、低輸出電壓噪聲顯然是必要的性能要求。

　　有些工業(yè) LDO 提供主動(dòng)輸出放電功能，以保護(hù)負(fù)載。不過(guò)，現(xiàn)有解決方案僅在器件關(guān)斷時(shí)啟動(dòng)。到現(xiàn)在為止，還很難找到有“雙重”作用以主動(dòng)輸出放電的電路設(shè)計(jì)，即使當(dāng)輸入電壓被拉低時(shí)也可啟動(dòng)該功能。

一種新的單電源線性穩(wěn)壓器

　　顯然，一個(gè)主動(dòng)輸出放電的 LDO 應(yīng)該具備以下特性：

　　? 用單電源運(yùn)行 (以易于使用)

　　? 快速瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間

　　? 在很寬的輸入 / 輸出電壓范圍內(nèi)工作

　　? 能夠提供很大的輸出電流

　　? 低輸出噪聲

　　? 以非常低的壓差運(yùn)行

　　? 出色的熱性能

　　? 在很寬的頻率范圍內(nèi)有高的 PSRR

　　? 主動(dòng)輸出放電的電路具完整的雙重作用 ─ SHDN 或 VIN 被拉低時(shí)都有效

　　凌力爾特公司最近推出了具有主動(dòng)輸出放電功能的 500mA LT3066 低壓差線性穩(wěn)壓器，該器件具備上述屬性。LT3066 是一款高壓、低噪聲、低壓差電壓線性穩(wěn)壓器，提供精準(zhǔn)、可編程的電流限制、主動(dòng)放電、一個(gè)電源良好標(biāo)記以及電源抑制比 (PSRR)。該器件提供高達(dá) 500mA 輸出電流，滿負(fù)載時(shí)壓差為 300mV。LT3066 包含一個(gè)內(nèi)部高壓 NMOS 下拉電路，以在 SHDN 引腳被拉低或輸入電壓被斷開(kāi)時(shí)給輸出電壓放電。對(duì)于啟動(dòng)和停機(jī)時(shí)需要電源調(diào)節(jié)的應(yīng)用 (例如: 高端成像傳感器或微控制器)，這種快速、主動(dòng)的輸出放電功能有助于保護(hù)負(fù)載。

　　LT3066 具有很寬的(1.8V~4.5V)輸入電壓范圍，輸出電壓在 0.6V 至 19V 范圍內(nèi)可調(diào)。單個(gè) REF/BYP 引腳電容器提供軟啟動(dòng)功能，使該器件能夠在 10Hz 至 100kHz 帶寬內(nèi)以僅為 25μVRMS 的低噪聲運(yùn)行。輸出電壓容限隨電壓、負(fù)載和溫度變化為±2%。另一個(gè) INFILT 引腳電容器在 20kHz 至 1MHz 頻率范圍內(nèi)，將 PSRR 改進(jìn) 15dB 至 30dB，而在 1MHz 時(shí)， PSRR 達(dá)到了 60dB。

　　LT3066 采用小型、低成本、最低 3.3μF 的陶瓷輸出電容器工作。該器件的 PWRGD 標(biāo)記指示輸出處于穩(wěn)定狀態(tài)。LT3066 用一個(gè)電阻器精確設(shè)定外部電流限制 (在整個(gè)溫度范圍內(nèi)為 ±10%)。此外，LT3066 的內(nèi)部保護(hù)電路包括電池反向保護(hù)、電流反向保護(hù)、折返電流限制和過(guò)熱限制。主動(dòng)放電電路提供安全工作區(qū) (SOA) 折返功能，以保護(hù)下拉 NMOS，使 OUT 電壓高于 6V，并提供范圍很寬的 OUT 引腳絕對(duì)最大額定值：-1V 至 +20V。如圖1所示，該器件具有很寬的輸入和輸出電壓范圍、快速瞬態(tài)響應(yīng)以及 64μA (工作時(shí)) 和 小于3μA (停機(jī)時(shí)) 的低靜態(tài)電流，因此成為工業(yè)電源、航空電子系統(tǒng)電源、汽車電源、需要最佳運(yùn)行時(shí)間的電池供電型系統(tǒng)及儀器，以及需要提供廣泛保護(hù)的高可靠性電源的出色選擇。

　　圖2顯示為具備主動(dòng)輸出放電功能的 500mA LT3066 與類似的 LT3065 (500mA，沒(méi)有主動(dòng)輸出放電功能) 相比的優(yōu)勢(shì)。

　　LT3065 有一個(gè) 10mA 負(fù)載，LT3066 僅由設(shè)定輸出電壓 (本例中為 10μA) 的電阻分壓器加載。即使給 LT3066 的輸出加上了很輕的負(fù)載，由于該器件提供主動(dòng)輸出放電功能，所以輸出電壓也會(huì)快速放電。相比之下，LT3065 的輸出電容器僅由連至其上的 10mA 負(fù)載放電，放電速度慢得多。

　　就高于 7V 左右的輸出電壓而言，LT3066 實(shí)施主動(dòng)輸出放電折返，因此，用來(lái)主動(dòng)輸出放電的晶體管的驅(qū)動(dòng)降低了，這可限制該器件消耗的功率。由于產(chǎn)生了折返，所以在示波器顯示屏上看到，LT3066 的 12V 波形從 12V 到 7V 的放電速度不那么快。在輸出電壓很高和使用大型電容器時(shí)，或者萬(wàn)一發(fā)生故障，使輸出短路至很高的電壓時(shí)，這樣的放電速度可以保護(hù) LT3066 免于損壞。

PSRR 性能的改進(jìn)

　　與 LT306x 系列中的其他器件相比，LT3066 通過(guò) INFILT 引腳提高了 PSRR 性能。INFILT 引腳是一個(gè)單獨(dú)的輸入引腳，為誤差放大器和基準(zhǔn)供電。這個(gè)引腳通過(guò)內(nèi)部 140? 電阻器連至 IN 引腳。在 INFILT 引腳和地之間連入一個(gè)去耦電容器，就形成了一個(gè) RC 濾波器，以降低誤差放大器和基準(zhǔn)的輸入電源紋波。在 INFILT 引腳上連接一個(gè) 0.47μF 去耦電容器，可在高于 10kHz 的頻率上使 PSRR 改進(jìn)多達(dá) 30dB。如果不需要輸入濾波，那么就將 INFILT 引腳連至 IN 引腳。圖 3 顯示了與 LT3065 相比，LT3066 PSRR 性能的改進(jìn)。

完整的 LT306x 系列

　　不是所有應(yīng)用都需要主動(dòng)輸出放電來(lái)保護(hù)敏感負(fù)載，也不是所有應(yīng)用都要求輸出電流高達(dá) 500mA。因此，凌力爾特還開(kāi)發(fā)了 LT306x 系列的另外 5 款器件，以提供一種富有吸引力的產(chǎn)品組合。這個(gè)系列的器件具備以下特點(diǎn)：高輸入和輸出電壓、低壓差電壓、低輸出電壓噪聲性能、廣泛的保護(hù)功能、快速響應(yīng)以及很寬的(100mA 至 500mA)輸出電流。其中有的器件具備主動(dòng)輸出放電功能，有的器件則沒(méi)有這種功能。表1顯示了 LT306x 系列中各款器件之間的不同。

結(jié)論

　　新的電路設(shè)計(jì)方法和改進(jìn)的芯片制造工藝豐富了基于 PNP 通路晶體管 LDO 的性能特點(diǎn)。凌力爾特等供應(yīng)商提供的這類 LDO 具備可靠的保護(hù)功能、很寬的輸入和輸出電壓范圍、低輸出噪聲和快速響應(yīng)，能夠用單個(gè)電壓源以低壓差運(yùn)行。新的 LT306x 系列有 6 款器件，輸出電流范圍為 100mA 至 500mA，其中 3 款器件還提供新的完整雙重作用主動(dòng)輸出放電功能，這種功能非常適合用在圖像傳感器和高可靠性系統(tǒng)中，以保護(hù)敏感、昂貴的負(fù)載，同時(shí)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的電源排序。

本文來(lái)源于中國(guó)科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第9期第30頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。