精確度與功率相遇，RefulatorTM是解決之道

作者 Michael B. Anderson 凌力爾特公司(現(xiàn)隸屬ADI公司)信號(hào)調(diào)理產(chǎn)品部高級(jí)設(shè)計(jì)工程師

摘要：本文介紹一款精準(zhǔn)的低噪聲、低漂移穩(wěn)壓器LT6658，其是一款兼具基準(zhǔn)的準(zhǔn)確度指標(biāo)和線性穩(wěn)壓器的性能穩(wěn)壓器。

引言

　　精確的模擬電路設(shè)計(jì)師常常依靠靜靜地安居一隅的電壓基準(zhǔn)給DAC和ADC轉(zhuǎn)換器供電。其實(shí)，這已經(jīng)超出了電壓基準(zhǔn)的基本職責(zé)范圍，因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/電壓基準(zhǔn)">電壓基準(zhǔn)本來只是為了給轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)輸入提供一個(gè)干凈、精確和穩(wěn)定的電壓。在不違反一些注意事項(xiàng)的情況下，用電壓基準(zhǔn)供電通常也是可行的，這也是應(yīng)對(duì)電流日益提高的應(yīng)用時(shí)，人們總是希望采用電壓基準(zhǔn)的原因。畢竟，如果電壓基準(zhǔn)可以給轉(zhuǎn)換器供電，那為什么不能給模擬信號(hào)鏈路或其他轉(zhuǎn)換器，以及更多的組件供電呢?

　　在設(shè)計(jì)過程中，很多時(shí)候需要在精確度和功率之間做出抉擇。如果采用比較“暴力”的方法，就需要在高精確度時(shí)使用電壓基準(zhǔn)，需要毫瓦級(jí)功率時(shí)使用穩(wěn)壓器。這樣做除了增加所需電路板空間和成本，還必須通過特定路徑單獨(dú)傳送信號(hào)，即使這些信號(hào)的標(biāo)稱電壓相同。而且，如果需要一個(gè)高精確度電壓源提供毫瓦級(jí)功率，那么設(shè)計(jì)師就必須對(duì)基準(zhǔn)進(jìn)行緩沖。LT6658提供兩個(gè)低噪聲、高精確度輸出，共提供200mA輸出電流，還提供高基準(zhǔn)規(guī)格，從而解除了這個(gè)困境。

1 LT6658概述

　　LT6658是一款精準(zhǔn)的低噪聲、低漂移穩(wěn)壓器，其兼具基準(zhǔn)的準(zhǔn)確度指標(biāo)和線性穩(wěn)壓器的性能。LT6658擁有10ppm/℃的漂移和0.05%的初始準(zhǔn)確度。在LT6658的電源側(cè)具有兩個(gè)提供150mA和50mA的輸出，它們各具20mA的有源電流吸收能力。為了保持準(zhǔn)確度，負(fù)載調(diào)整率為0.1ppm/mA。當(dāng)輸入電壓電源引腳連接在一起時(shí)，電壓調(diào)整率通常為1.4ppm/V;而當(dāng)給輸入引腳提供單獨(dú)的電源時(shí)，電壓調(diào)整率則小于0.1ppm/V。

　　為了更好地理解LT6658的功能及其工作方式，通過圖1給出了一個(gè)典型應(yīng)用。LT6658由一個(gè)帶隙級(jí)、一個(gè)降噪級(jí)和兩個(gè)輸出緩沖器組成。帶隙級(jí)和兩個(gè)輸出緩沖器單獨(dú)供電，以提供出色的隔離度。每個(gè)輸出緩沖器都有一個(gè)開爾文檢測(cè)反饋引腳，以提供最佳負(fù)載調(diào)節(jié)。

　　降噪級(jí)由一個(gè)400Ω電阻器組成，還為連接一個(gè)外部電容器提供了引腳。這個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)起到了低通濾波器的作用，限制了帶隙級(jí)噪聲的帶寬。外部電容器可以任意大，以將噪聲帶寬減小到非常低的頻率。

2 電流供應(yīng)和吸收

　　LT6658從 VOUT1_F引腳提供150mA，從VOUT2_F引腳提供50mA，而且這兩個(gè)引腳均吸收20mA。有源吸收能力有助于獲得卓越的瞬態(tài)響應(yīng)，并實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定。瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間是很短的，同時(shí)保持了0.1ppm/mA負(fù)載調(diào)整率。

3 輸出跟蹤

　　如果應(yīng)用有多個(gè)使用不同電壓基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換器，那么，即使輸出設(shè)定為不同的電壓，LT6658的輸出也會(huì)實(shí)現(xiàn)跟蹤，以確保一致的轉(zhuǎn)換結(jié)果。這樣做是可能的，因?yàn)長(zhǎng)T6658的兩個(gè)輸出是用公共電壓源驅(qū)動(dòng)的。輸出緩沖器進(jìn)行了微調(diào)，可實(shí)現(xiàn)出色的跟蹤效果和低漂移。當(dāng)VOUT1_F上的負(fù)載從0提高到150mA時(shí)，VOUT2輸出的變化小于12ppm。隨著負(fù)載和工作條件的變化，輸出之間的關(guān)系也會(huì)得到很好的保持。

4 電源抑制和隔離

　　為了方便實(shí)現(xiàn)出色的電源抑制和輸出隔離，LT6658提供3個(gè)電源引腳。V_IN引腳給帶隙電路供電，V_IN1和V_IN2分別給V_OUT1和V_OUT2供電。最簡(jiǎn)單的方法是，連接所有3個(gè)電源引腳，以提供1.4ppm/V的典型DC電源抑制。當(dāng)電源引腳單獨(dú)連接時(shí)，V_IN1電源切換，針 V_OUT2的DC電壓調(diào)節(jié)是0.06ppm/V。V_IN電源靈敏度最高，在輸出上引起1.4ppm/V的典型變化。電源引腳V_IN1和V_IN2幾乎不產(chǎn)生影響。

　　隔離良好的輸出緩沖器抑制來自相鄰緩沖器的負(fù)載瞬態(tài)，對(duì)相鄰輸出產(chǎn)生最小影響。圖2a和2b說明了通道至通道輸出隔離。一個(gè)輸出在50mVrms上擺動(dòng)，所畫曲線表示相鄰緩沖器中的變化。

5 電源管理和保護(hù)

　　3個(gè)電源引腳有助于控制封裝中消耗功率的多少。當(dāng)提供大電流時(shí)，降低電源電壓以最大限度降低 LT6658中的功耗?？巛敵銎骷啥藢⒊霈F(xiàn)較低的電壓，從而實(shí)現(xiàn)較低的功耗和較高的效率。

　　輸出禁止引腳OD關(guān)斷輸出緩沖器，并將VOUT_F 引腳置于高阻抗?fàn)顟B(tài)。一旦出現(xiàn)故障情況，這樣做就很有用。例如，負(fù)載可能損壞和短路。外部電路可以檢測(cè)到這種情況，這時(shí)兩個(gè)輸出都可以被禁止。這個(gè)功能也可以忽略不理，當(dāng)OD引腳浮置或連至高電平時(shí)，弱上拉電流將啟動(dòng)輸出緩沖器。

　　LT6658采用MSE-16裸露焊盤封裝，θJA低至35℃/W。當(dāng)電源電壓為高時(shí)，電源效率將較低，從而導(dǎo)致封裝中產(chǎn)生過多的熱量。例如，在滿負(fù)載時(shí)，一個(gè) 32.5V的電源電壓將在輸出器件上產(chǎn)生30Vx0.2A的過量功率。過量功率的總數(shù)為6W，這將使內(nèi)部芯片溫度上升至比環(huán)境溫度高210℃!為了保護(hù)器件，當(dāng)芯片溫度超過165℃時(shí)，熱停機(jī)電路將停用輸出緩沖器。

6 噪聲

　　就數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和其他高精確度應(yīng)用而言，噪聲是一個(gè)重要參數(shù)。在NR(降噪)引腳上增加一個(gè)電容器，低噪聲LT6658的噪聲甚至可以變得更低。在NR引腳上的電容器與一個(gè)內(nèi)置400Ω電阻器一起，形成了一個(gè)低通濾波器。大型電容器降低了濾波器頻率，因此，降低了總的綜合噪聲。圖3a顯示，提高NR引腳上的電容器值所產(chǎn)生的效果。采用10μF電容器時(shí)，噪聲滾降至大約為 7nV/Hz。

　　通過增大輸出電容器，噪聲可以進(jìn)一步降低。當(dāng) NR 和輸出電容器都增大時(shí)，輸出噪聲就可以降至幾微伏。使用1μF至50μF的輸出電容器，LT6658是穩(wěn)定的。如果并聯(lián)放置一個(gè)1μF的陶瓷電容器，那么輸出用較大的電容也可以穩(wěn)定。例如，圖3b顯示了一個(gè)1μF 陶瓷電容器與一個(gè)100μF聚合鋁電容器并聯(lián)的電路。這種配置在降低噪聲帶寬時(shí)仍然保持穩(wěn)定。圖3c說明了不同輸出電容值時(shí)的噪聲響應(yīng)。在所有這3種情況下，都有一個(gè)小型1μF陶瓷電容器與一個(gè)較大的電容器并聯(lián)。

　　這種方案的一個(gè)缺點(diǎn)是噪聲峰值，噪聲峰值可能增大總的綜合噪聲。為了降低噪聲峰值，可以插入一個(gè)與大型輸出電容器串聯(lián)的1Ω電阻器，如圖4a所示。輸出電壓總的綜合噪聲分別如圖4b所示。

7 結(jié)論

　　LT6658是基準(zhǔn)和穩(wěn)壓器領(lǐng)域發(fā)展的下一步。對(duì)于精準(zhǔn)型模擬電源而言，精準(zhǔn)性能和從單個(gè)封裝提供 200mA組合式電流的能力是一種模式轉(zhuǎn)移。噪聲抑制、通道至通道隔離、跟蹤和負(fù)載調(diào)節(jié)等特點(diǎn)把該產(chǎn)品不偏不倚地置于未來精準(zhǔn)型模擬基準(zhǔn)和電源解決方案的成長(zhǎng)道路上。利用這種新方法，應(yīng)用將無(wú)須犧牲精度或功耗指標(biāo)。

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第6期第70頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。