用于电压或电流调节的新调节器架构

2009年07月19日 13:07    李宽
关键词: 电流 , 电压 , 调节器 , 架构
放弃电压基准、用电流源取而代之,可以在能力、表现和可用性方面提供很大的好处。LT3080可以直接并联,以实现更大的输出电流,同时分散所产生的热量,并允许使用全表面贴装电路板。
  一个新的器件LT3092克服了较早的两端电流源的问题。它有好于1%的初始准确度和非常低的温度系数。输出电流可在0.5mA至200mA范围内设置,电流调节典型值为 10ppm/V。这在1mA时提供100mW阻抗,或在100mA时提供1mW阻抗。几乎与其它任何模拟集成电路都不同,已经采用了特殊设计方法来实现稳定工作,而无需电源旁路电容器,从而允许LT3092提供高AC阻抗以及高DC阻抗。瞬态和启动时间大约为20ms。

  图1显示采用新架构的LT3080稳压器和LT3092稳流器。两种新的调节器都采用40V双极型工艺制造。这允许高输入电压和低工作电压,因为双极型晶体管在0.6V时接通。
  一个精确的“0”TC 10mA内部电流源连接到一个功率运算放大器的同相输入。该功率运算放大器在同相输入端上的电压提供一个低阻抗缓冲输出。从同相输入到地的单个电阻器设置输出电压或电流,而且如果这个电阻器设置为零,那么就产生零输出。从零直到由输入电源定义的最大值之间的任何输出电压都可以获得。
  就稳流器而言,一个小的电压加到一个外部设置电阻器上(在这种情况下为20kW),以产生200mV基准。这就给决定电流的电阻器R上加上了200mV电压,那么总的电流就等于0.2V除以R(加上10mA)。该稳流器以约1.5V(跨其两端)直到36V的电压工作,而且由于其温度稳定性高,所以电流调节极好。作为一个两端电流源,负载可以在电路的正支路中,也可以在接地支路中。
  一个基准电流源允许该调节器具有独立于正输入端阻抗或反馈衰减的增益和频率响应。以前的调节器在输出电压被调节时,要经受环路增益和带宽变化。请注意,输出电压或旁路调节时,环路增益都不变。输出调节不是固定在一个输出电压的百分数上,而是一个固定的mV数。使用一个真正的电流源允许缓冲放大器的全部增益提供调节,而且一点都不需要这一增益来将基准放大为一个更高的输出电压。
  并联器件
  正如前面提到的那样,并联以获得更大的输出电流,这解决了几个问题。功耗可以在几个调节器之间分散,因此系统电路板中不会产生热点。如果所需要的电流大于单个调节器能提供的电流,那么可以非常容易地增加第二个调节器。与其它任何类型的调节器都不同,LT3080和LT3092的架构允许直接并联。内部片上微调保持调节引脚和输出之间的偏移电压在几mV之内。这允许通过将调节引脚和输出引脚连接一起来并联这些调节器。

  与输出串联的少量镇流使调节产生的劣化很小,而且提供了良好的电流共享和LT3080固有的负载调节(参见图2)。例如,10mW的铜走线将确保电流共享,而且在来自两个器件的输出电流为2A时,仅增加10mV负载调节。这种共享电流的能力使这种调节器就电路板电源而言越来越有用了,在电路板电源中,开关稳压器是不想要的。当然,电流源可以非常容易地直接并联。
  调节引脚输出和输入引脚连接到一起。不管是在3端模式还是有一个独立的VIN电源,这都是相同的。输出同样连接到一起,采用一小段PC走线作为镇流电阻器以均衡电流。以mW/英寸为单位的PC走线电阻如表1所示。仅需要微小的一段用于镇流。

  降低LT3080的功耗
  这个新调节器的目标之一是,减轻表面贴装电路板的热量问题,消除对散热器的需求。单独提供输出晶体管的集电极可以将LT3080的功耗分给内部功率晶体管和外部电阻器,如图3所示。在这个例子中,一个2.9W的电阻器与输出晶体管的集电极串联。输出晶体管的压降仅为300mV,因此在外部电阻器两端可能有几V的压降,从而最大限度地降低该IC的热量。在满负载时,该外部电阻器两端大约有3V压降,消耗的功率大约为3W。为了最大限度降低PC板的峰值温度,这个电阻器可以分成几个1W的电阻器,并分散在电路板各处,从而允许热量非常容易地散出。

  当电阻器中的功耗和晶体管中的功耗相等时,LT3080的功耗峰值大约为750mW。PC板中的铜平面非常容易处理这样的功率。
  降低LT3092的功耗
  就大的设置电流和高电压而言,LT3092中有相当大的功耗。例如,30V和100mA等于3W功耗,视PC板的热阻不同而有所变化,这可能引起温度大幅上升。一个外部电阻器可以将一部分功率转移到该电阻上,降低LT3092的功耗。图4显示的基本电流源从该器件的输入到输出有一个电阻器RX。只要总电流大于通过RX的电流,调节就不受损害,电流源阻抗就不变。

  通过RX的电流是在反馈环路内,并且在输入到输出的电压变化时得到补偿。该电流流经内部PNP晶体管或外部电阻器,同时反馈环路保持总电流恒定。
  为实现良好调节和确保合理的容限,该器件在最大电压时,经过RX的电流不应该高于所希望电流的90%。图中的公式显示如何选择RX,以便通过RX的电流始终保持至少10%流经LT3092。这通过将一些功率转移到外部电阻器上,降低了最大内部功率。结果是极大地降低了器件的功耗以及减小了温度的上升。增加这个外部电阻器,对电路性能产生微不足道的影响。
  结论
  一种新的调节器架构为分散热量和电流调节提供了解决方案。这些新的调节器是在大批量双极型制造设施制造,具有优于以前器件的性能。对电压、负载和温度的调节是卓越的,而且即使存在一个复杂的内部反馈电路,独特的设计方法已经使该器件可以在没有旁路电容器的情况下工作。
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