大電流 LDO實現(xiàn)直接并聯(lián)和高功率密度

低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)長期以來被認為是低性能的廉價器件，尤其是在與相對復雜的開關(guān)穩(wěn)壓器相比時更是這樣，不過，性能提高已經(jīng)給簡單和不顯眼的LDO 注入了新的活力。電源設計師正在從LDO性能的以下改進中獲益。

* 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。

* 更低的輸出電壓與低壓電源軌需求相匹配。

* 低靜態(tài)電流延長電池工作時間。

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

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

* 低輸出噪聲減輕對系統(tǒng)電磁干擾(EMI)的擔憂。

* 耐熱增強型封裝更高效率地將熱量從系統(tǒng)中散發(fā)出去。

這些特點加上設計簡單性，已經(jīng)使 LDO 逐步占據(jù)了以前由開關(guān)穩(wěn)壓器占領的1A~5A應用領域。

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)，表面貼裝電路板設計也在逐步演變。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?？偟膩碚f，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，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)壓器提高了復雜性、成本和噪聲。另一種可替代方案是并聯(lián)多個共享負載的線性穩(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，而且所需電壓還會繼續(xù)降低。傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器采用 1.2V 基準，這個基準電壓被升壓以產(chǎn)生一個等于或高于 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，這一直需要一個外部運算放大器和幾個電阻來實現(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，這允許多個穩(wěn)壓器用一段非常短的印刷電路板走線作為鎮(zhèn)流器來共享電流。可并聯(lián)的穩(wěn)壓器沒有數(shù)量限制。



0V 輸出能力和用單個電阻設置 VOUT

這種基于電流基準的新架構(gòu)還使得用單個電阻設置低至0V的 VOUT成為可能。有了這種提供零輸出的能力，LT3080 就能夠完成對系統(tǒng)某些部分斷電的任務。已微調(diào)的 10mA ±1% 電流基準通過 SET 引腳提供。在 SET 引腳和地之間連入單個電阻，以產(chǎn)生成為誤差放大器基準點的電壓。這個基準電壓是 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(絕對最大值為 40V)。壓差電壓在滿負載時低至 300mV (兩個電源工作)，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。

保護功能包括折返限流和熱停機。該電路的直接并聯(lián)及寬 VIN 和 VOUT、嚴格的電壓和負載調(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一步分散熱量。

主要設計難題：不同情況下需要不同的保護

電池反向保護

在由電池供電的系統(tǒng)中，當最終用戶將電池插反或接反時，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, 則將會有很大的電流通過硅片中的寄生結(jié)點流至地，因而有可能毀壞電路中易損的結(jié)點。增加二極管可以起保護作用，但是在電池和電源軌之間引入二極管壓降會浪費功率，并降低電源電壓。片上解決方案不僅保護了電路和負載，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

這種保護措施在以下情況下，可防止反向電流流過電路的寄生體二極管：

* 反向輸出電壓

* 負載返回到負電源

* 負電源在 VIN之前被接通

* 輸出在加電時處于負壓軌電壓

限流/短路保護

線性穩(wěn)壓器如果被迫提供過大的電流，就有可能損壞。這類保護電路在短路或過載情況下啟動，這時 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(因為 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電路之一：恒定限流或形式更復雜的折返限流。給限流值增加折返量(或安全工作區(qū)(SOA)保護)在輸入電壓提高時降低了限流值，以保持功率晶體管處于安全工作區(qū)。

反向電流保護

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

熱停機

這種保護起作用時，器件實際上是被關(guān)閉了，而且芯片必須根據(jù)內(nèi)置到熱停機電路中的遲滯量進行冷卻。器件冷卻下來以后，就會被重新啟動。如果存在故障或過載情況，那么該器件的溫度會一直升高，直至達到熱停機溫度并被關(guān)閉。因此，器件根據(jù)熱停機溫度、遲滯量、封裝和熱限制，以某種低頻和占空比進行熱振蕩。

熱限制

熱限制是比熱停機稍微簡單一點的方法。采用這種方法時，最高芯片溫度由保護電路控制。

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。它在滿負載時具有僅為 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。在整個電壓、負載和溫度范圍內(nèi)，輸出容限嚴格穩(wěn)定在±3% 之內(nèi)。該器件具有500mA(工作時)和不到 1mA(停機時)的低靜態(tài)電流，使其非常適合需要高輸出驅(qū)動能力和低電流消耗的應用。

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。這些纖巧的外部電容器無需任何串聯(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)部保護電路包括電池反向保護、無反向電流、輸出電壓反向保護、折返限流和熱限制 。



就需要大的輸入-輸出壓差的應用而言，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。

保護能力

LT1965 具有多種保護功能，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。

限流保護和熱過載保護功能可以保護 LT1965 免受其輸出端電流過載的影響，增加折返限流保護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)，而且輸出沒有負壓出現(xiàn)。在電池接反時，該器件同時保護自身和負載免受損壞。

LT1965 的輸出被拉至低于地電平也不會引起損壞。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，在設置輸出電壓的電阻分壓器中有電流流動(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，ADJ 引腳就像開路一樣，在被拉至高于地電平時， ADJ 引腳就像一個與二極管串聯(lián)的大電阻一樣(ADJ 引腳電阻在3V時的典型值為5kW，9V時為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，一個電阻分壓器用來從1.20V 基準提供一個穩(wěn)定的1.5V輸出，而輸出被強制為 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，將進入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、拉到某個中間電壓或開路時，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下降至低于2mA的水平。如果LT1965的輸入與一個放電(低電壓)電池相連，而且由一個后備電池或第二個穩(wěn)壓器來維持輸出，就會出現(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)對反向輸出電流沒有影響。

結(jié)語

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、復雜性和成本;或者充滿了用于大電流應用的開關(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架構(gòu)解決了與這類設計有關(guān)的各種問題，如過大的局部熱量、散熱器和過多的連線、無源組件。它通過直接并聯(lián)能夠獲得幾乎無限大的輸出電流、無需散熱器就可分散印刷電路板的熱量、可用單個電阻設置 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現(xiàn)效率較高的轉(zhuǎn)換和更長的電池工作時間，因為它更充分地利用了電池的有用工作時間。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、射頻和音頻系統(tǒng)。其耐熱增強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。其保護功能包括電池反向保護、無反向電流、反向輸出電壓保護、折返限流和熱限制，這使LT1965適用于更多應用，它不僅保護自身，還可以保護周圍系統(tǒng)組件的安全。