大电流LDO实现直接并联和高功率密度
发布时间：2010-11-11 12:42
发布者：designer
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低压差线性稳压器(LDO)长期以来被认为是低性能的廉价器件，尤其是在与相对复杂的开关稳压器相比时更是这样，不过，性能提高已经给简单和不显眼的LDO 注入了新的活力。电源设计师正在从LDO性能的以下改进中获益。 * 压差电压更低，允许以更高效率转换。 * LDO 并联方法已经得到极大简化。并联 LDO 将所散出的热量分散到印刷电路板上，减少了热点。 * 更低的输出电压与低压电源轨需求相匹配。 * 低静态电流延长电池工作时间。 * 负载突降保护和更高的输入电压性能规格保护器件免受系统瞬态电压影响，允许器件应用于汽车和严酷的工业环境。 * 电池反向和反向电流保护功能保护器件和周围系统，提高总体可靠性。 * 低输出噪声减轻对系统电磁干扰(EMI)的担忧。 * 耐热增强型封装更高效率地将热量从系统中散发出去。 这些特点加上设计简单性，已经使 LDO 逐步占据了以前由开关稳压器占领的1A"5A应用领域。 现代表面贴装印刷电路板 系统受到的限制 热量 随着更加复杂的制造技术、多层印刷电路板、更小和更薄的分立组件，以及更薄的集成电路封装的出现，表面贴装电路板设计也在逐步演变。制造技术的理想境界是，所有组件都是表面贴装型的。问题是电源散热。总的来说，电源输出电流受到表面贴装集成电路功耗的限制，功耗大约为 2W。电流较高时，传统的线性稳压器需要散热器，从而排除了全表面贴装解决方案。一种可替代方案是高性能开关稳压器，这种稳压器提高了复杂性、成本和噪声。另一种可替代方案是并联多个共享负载的线性稳压器。这提高了可用输出电流，并将耗散的功率分散到表面贴装系统中更大的区域上。传统 LDO 很难并联，但是新一代 LDO (如LT3080) 就非常容易并联，甚至在电流非常高时也一样。 低输出电压 新型高性能数字电路需要低于 1.2V 的电压，而且所需电压还会继续降低。传统线性稳压器采用 1.2V 基准，这个基准电压被升压以产生一个等于或高于 1.2V 的稳定输出。如果不在电路上做文章、增加外部组件，那么低于 1.2V 的输出电压是不可能实现的。而只有新一代线性稳压器能产生低于 1.2V 的电压。LT3080 的电流源架构允许它产生低至 0V 的输出电压。 一种新型架构 ——并联 1.1A NPN LDO 印刷电路板上的并联线性稳压器可以分散热量，与单个集成电路相比可以提高最大输出电流，并有助于保持低的电路板峰值温度。传统上，这一直需要一个外部运算放大器和几个电阻来实现。LT3080则是高性能 1.1A 低噪声 LDO，具有 NPN 功率电路，它可以非常容易地直接并联(见图 1)。这是由 LT3080 的独特架构决定的。该器件用精确电流源取代了传统 LDO 电压基准，这允许多个稳压器用一段非常短的印刷电路板走线作为镇流器来共享电流。可并联的稳压器没有数量限制。  0V 输出能力和用单个电阻设置 VOUT 这种基于电流基准的新架构还使得用单个电阻设置低至0V的 VOUT成为可能。有了这种提供零输出的能力，LT3080 就能够完成对系统某些部分断电的任务。已微调的 10mA ±1% 电流基准通过 SET 引脚提供。在 SET 引脚和地之间连入单个电阻，以产生成为误差放大器基准点的电压。这个基准电压是 SET 引脚电流和电阻值直接相乘得出的。输出电压可以是从零直到由输入电源决定的最大值之间的任何电压。需要 1mA 的最低负载电流，以在任何输出电压情况下保持稳压。如图 2 所示。  输入电压能力是 1.2V"36V(绝对最大值为 40V)。压差电压在满负载时低至 300mV (两个电源工作)，从而限制了功耗并提高了系统总体效率。在10Hz"100kHz的带宽范围内，输出噪声仅为 40mVRMS。 保护功能包括折返限流和热停机。该电路的直接并联及宽 VIN 和 VOUT、严格的电压和负载调节、高纹波抑制能力，以及使用很少的外部组件使其非常适用于现代多电源轨系统。 通路晶体管的集电极增加了分散热量的途径。还可以用外部电阻以非常低的成本进一步分散热量。 主要设计难题：不同情况下需要不同的保护 电池反向保护 在由电池供电的系统中，当最终用户将电池插反或接反时，可能引起损坏。在这种情况下，如果电路遭受了反向电压电源, 则将会有很大的电流通过硅片中的寄生结点流至地，因而有可能毁坏电路中易损的结点。增加二极管可以起保护作用，但是在电池和电源轨之间引入二极管压降会浪费功率，并降低电源电压。片上解决方案不仅保护了电路和负载，而且去掉了因增加外部组件而引起的问题。 输出电压反向保护 这种保护措施在以下情况下，可防止反向电流流过电路的寄生体二极管： * 反向输出电压 * 负载返回到负电源 * 负电源在 VIN之前被接通 * 输出在加电时处于负压轨电压 限流/短路保护 线性稳压器如果被迫提供过大的电流，就有可能损坏。这类保护电路在短路或过载情况下启动，这时 VOUT ＜ VIN，限流电路防止过大的电流从 VIN 流向 VOUT。 在短路情况下，不仅通路晶体管提供过大电流，通路晶体管上的电压也处于最大值(因为 VOUT为地电平，晶体管上的电压为 VIN)。线性稳压器一般在芯片上使用两种短路保护电路之一：恒定限流或形式更复杂的折返限流。给限流值增加折返量(或安全工作区(SOA)保护)在输入电压提高时降低了限流值，以保持功率晶体管处于安全工作区。 反向电流保护 这种保护电路在 VOUT ＞ VIN时、即 VIN短路或 VOUT被拉至高于 VIN 时启用，可以防止任何反向电流从 VOUT 流向 VIN。 热停机 这种保护起作用时，器件实际上是被关闭了，而且芯片必须根据内置到热停机电路中的迟滞量进行冷却。器件冷却下来以后，就会被重新启动。如果存在故障或过载情况，那么该器件的温度会一直升高，直至达到热停机温度并被关闭。因此，器件根据热停机温度、迟滞量、封装和热限制，以某种低频和占空比进行热振荡。 热限制 热限制是比热停机稍微简单一点的方法。采用这种方法时，最高芯片温度由保护电路控制。 高功率密度 1.1A PNP LDO LT1965是采用低噪声、低压1.1A PNP功率电路的LDO，具有高功率密度。它在满负载时具有仅为 300mV的低压差电压、具有 1.8V"20V的宽VIN能力和1.2V"19.5V 的可调低输出电压。仅为 40mVRMS的超低输出噪声降低了仪表、射频、DSP和逻辑电源系统的噪声，有益于后稳压开关电源。在整个电压、负载和温度范围内，输出容限严格稳定在±3% 之内。该器件具有500mA(工作时)和不到 1mA(停机时)的低静态电流，使其非常适合需要高输出驱动能力和低电流消耗的应用。 LT1965 稳压器用低等效串联电阻(ESR)、低至 10mF 的陶瓷输出电容器优化了稳定性和瞬态响应。这些纤巧的外部电容器无需任何串联电阻就可使用，而在其它很多稳压器中串联电阻是常见的。如图3所示。内部保护电路包括电池反向保护、无反向电流、输出电压反向保护、折返限流和热限制 。  就需要大的输入-输出压差的应用而言，LT1965 可组成非常紧凑和高热效率的解决方案。该芯片具有多种封装选择，从高功率密度、小占板面积、高热效率的 DFN 和 MSOPE 封装，到更加传统的 DD-Pak 和 TO-220 功率封装。 保护能力 LT1965 具有多种保护功能，非常适用于由电池供电的电路。除了与单片稳压器有关的常规保护功能 (如限流和热限制)，该器件还可防止被反向输入电压、反向输出电压以及反向输出-输入电压损坏。 限流保护和热过载保护功能可以保护 LT1965 免受其输出端电流过载的影响，增加折返限流保护可保持功率晶体管处于安全工作区。 LT1965 的输入可承受 22V(绝对最大值)反向电压。该芯片将电流限制到低于 1mA(典型值低于200mA)，而且输出没有负压出现。在电池接反时，该器件同时保护自身和负载免受损坏。 LT1965 的输出被拉至低于地电平也不会引起损坏。如果输入开路或接地，那么输出可能被拉至低于地电平 22V(绝对最大值)。就可调版本而言，输出就像开路一样，没有电流流出。不过，在设置输出电压的电阻分压器中有电流流动(但是受到电阻分压器的限制)。如果输入由电压源供电，那么输出源电流等于限流值，而且，LT1965 靠热限制保护自身安全。在这种情况下，将 /SHDN 引脚接地可关闭该器件并禁止输出电流。 如果 ADJ 引脚被拉至高于或低于地电平9V，不会引起 LT1965 损坏。如果输入开路或接地，那么被拉至低于地电平时，ADJ 引脚就像开路一样，在被拉至高于地电平时， ADJ 引脚就像一个与二极管串联的大电阻一样(ADJ 引脚电阻在3V时的典型值为5kW，9V时为1.5kW)。 注意，在 ADJ 引脚连接到电阻分压器的情况下，如果输出被拉高，那么ADJ 引脚会被拉至高于其 9V 箝位电压，在这种情况下，ADJ 引脚输入电流必须低于5mA。例如，一个电阻分压器用来从1.20V 基准提供一个稳定的1.5V输出，而输出被强制为 20V。必须选择电阻分压器上面的电阻，以在ADJ引脚电压为9V时，将进入ADJ引脚的电流限制为低于5mA。OUT和ADJ引脚之间的11V压差除以进入ADJ引脚的最大电流5mA，得出分压器上面电阻的最小阻值为 2.2kW。 在需要备份电池的电路中，可能出现几种不同的输入/输出情况。输入被拉至地电平、拉到某个中间电压或开路时，输出电压仍然可以正常提供。 如果LT1965的IN引脚电压被迫低于OUT引脚，或OUT引脚被拉至高于IN引脚，那么输入电流一般会下降至低于2mA的水平。如果LT1965的输入与一个放电(低电压)电池相连，而且由一个后备电池或第二个稳压器来维持输出，就会出现这种情况。如果输出被拉至高于输入，那么/SHDN引脚的状态对反向输出电流没有影响。 结语 传统上，多轨、表面贴装印刷电路板系统的电源部分充满了线性稳压器和散热器，这增大了尺寸、复杂性和成本;或者充满了用于大电流应用的开关稳压器。现在已经有新型线性稳压器可用，如LT3080。该器件以其基于电流的基准架构解决了与这类设计有关的各种问题，如过大的局部热量、散热器和过多的连线、无源组件。它通过直接并联能够获得几乎无限大的输出电流、无需散热器就可分散印刷电路板的热量、可用单个电阻设置 VOUT，并可将输出电压调至 0V，而且产生的输出噪声非常低。 类似地，LT1965 1.1A PNP LDO与常规LDO稳压器相比具有更佳的性能，如高功率密度和宽输入及输出电压范围。该芯片的超低压差允许实现效率较高的转换和更长的电池工作时间，因为它更充分地利用了电池的有用工作时间。其低噪声工作有益于后稳压开关稳压器以及敏感的光网络、射频和音频系统。其耐热增强型和紧凑型封装允许组成占板面积小和散热能力较高的解决方案。其保护功能包括电池反向保护、无反向电流、反向输出电压保护、折返限流和热限制，这使LT1965适用于更多应用，它不仅保护自身，还可以保护周围系统组件的安全。 |
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