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通過主動(dòng)輸出放電功能來保護(hù)敏感和昂貴的負(fù)載

發(fā)布時(shí)間:2017-05-16 來源:凌力爾特 責(zé)任編輯:susan

【導(dǎo)讀】線性穩(wěn)壓器普遍用于很多現(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/效益角度來看,這種穩(wěn)壓器卻常常是最有價(jià)值的組件之一。

LDO 的其中一個(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。
 
對于需要保護(hù)昂貴和敏感的負(fù)載而言,圖像傳感器系統(tǒng)就是一種典型的例子。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。如果沒有正確排序,就可能產(chǎn)生災(zāi)難性后果。對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)接通和斷開時(shí)。
 
LDO 可以運(yùn)用主動(dòng)輸出放電功能來滿足系統(tǒng)的斷電要求,主動(dòng)輸出放電功能可使 LDO 的輸出快速地放電,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,那么具主動(dòng)輸出放電功能的 LDO 可以由一個(gè) NMOS 開關(guān)快速拉低輸出電壓。具主動(dòng)輸出放電功能的器件之主要優(yōu)勢是,斷電時(shí),輸出處于已知狀態(tài)。無論負(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。
 
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)壓可以通過多種方法實(shí)現(xiàn)。開關(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較大。充電泵 (或開關(guān)電容器電壓轉(zhuǎn)換器) 可用來實(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,而且更易于用來實(shí)現(xiàn)降壓型應(yīng)用。不過,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)域了?,F(xiàn)在,低壓差線性穩(wěn)壓器具備超快瞬態(tài)響應(yīng)、低壓差電壓、低壓運(yùn)行 (輸出通常低至 0.6V)、大輸出電流能力,以及能夠用單電源工作。
 
目前一代快速、大電流、低壓數(shù)字 IC (例如: FPGA、DSP、CPU 和 ASIC) 對于給內(nèi)核及 I/O 通道供電的電源要求很嚴(yán)格。不過,從供電角度考慮,這些數(shù)字 IC 不夠穩(wěn)定。傳統(tǒng)上,一直用高效率開關(guān)穩(wěn)壓器給這類器件供電,但是開關(guān)穩(wěn)壓器可能有潛在的噪聲干擾問題以及瞬態(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,正在找到用武之地。由于最近的產(chǎn)品創(chuàng)新和功能增強(qiáng),趨勢正在改變,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,從線性穩(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。具高的電源紋波抑制比的器件很容易濾除和抑制來自輸入的噪聲,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現(xiàn)今的電壓軌是有益的,因?yàn)閷ΜF(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,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),即是當(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
 
幸運(yùn)的是,凌力爾特公司最近推出了具主動(dòng)輸出放電功能的 500mA LT3066 低壓差線性穩(wěn)壓器,該器件具備上述所有必要的屬性。有些應(yīng)用要求,關(guān)斷時(shí)輸出狀態(tài)是已知的,LT3066 的設(shè)計(jì)滿足這種要求。其輸出始終按照預(yù)期快速放電,而不論負(fù)載處于什么狀態(tài)。
 
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,以及更好的電源抑制比 (PSRR)。該器件提供高達(dá) 500mA 輸出電流,滿負(fù)載時(shí)壓差電壓為 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時(shí)給輸出電壓放電。對于啟動(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)輸出放電功能有助于保護(hù)負(fù)載。
 
LT3066 具很寬的 1.8V 至 45V 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)載和溫度變化為高度準(zhǔn)確的 ±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 引腳絕對最大額定值:-1V 至 +20V。如圖 1 所示,該器件具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 <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)的高可靠性電源之出色選擇。
 
圖 1:LT3066 典型應(yīng)用原理圖及其功能
 
3.3V Supply with 497mA Precision Current Limit:具 497mA 精準(zhǔn)電流限制的 3.3V 電源
 
WIDE VIN RANGE: 1.6V TO 45V:很寬的 VIN 范圍:1.6V 至 45V
 
IN:輸入
 
INFILT PIN AND CAP IMPROVE PSRR:INFILT 引腳和電容改善 PSRR
 
500mA PNP OUTPUT WITH ACTIVE OUTPUT DISCHARGE:500mA PNP 輸出,能夠主動(dòng)輸出放電
 
OUT:輸出
 
WIDE VOUT RANGE: 0.6V TO 19V:很寬的 VOUT 范圍:0.6V 至 19V
 
CBYP LOWERS OUTPUT NOISE AND SOFT-STARTS VOUT:CBYP 降低輸出噪聲,并使 VOUT 實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)
 
圖 2 顯示,具備主動(dòng)輸出放電功能的 500mA LT3066 與類似的 LT3065 (500mA,沒有主動(dòng)輸出放電功能) 相比的優(yōu)勢。
 
圖 2:具備主動(dòng)輸出放電功能的 LT3066 與 LT3065 的比較
 
ACTIVE OUTPUT DISCHARGE FOLDBACK:主動(dòng)輸出放電折返
 
ACTIVE OUTPUT DISCHARGE:主動(dòng)輸出放電
 
LT3065 有一個(gè) 10mA 負(fù)載,LT3066 僅由設(shè)定輸出電壓 (本例中為 10μA) 的電阻器分壓器加載。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,用來主動(dòng)輸出放電的晶體管之驅(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。
 
具備主動(dòng)輸出放電功能的器件之主要優(yōu)勢是,器件關(guān)斷時(shí),輸出處于設(shè)定的已知狀態(tài)。輸出始終按照預(yù)期快速放電,而無論負(fù)載處于什么狀態(tài)。對停機(jī)時(shí)要求精準(zhǔn)電源排序的應(yīng)用而言,這種特性很重要。
 
PSRR 性能的改進(jìn)
 
與 LT306x 系列中的其他器件相比,LT3066 通過 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)。
 
圖 3:具 INFILT 引腳的 LT3066 與 LT3065 的 PSRR 比較
 
RIPPLE REJECTION:紋波抑制
 
FREQUENCY:頻率
 
完整的 LT306x 系列
 
不是所有應(yīng)用都需要主動(dòng)輸出放電以保護(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,有的器件則沒有這種功能。以下表 1 突出顯示了 LT306x 系列中各款器件之間的不同。
 
表 1:LT306x 系列 LDO 功能和特點(diǎn)一覽
 
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。
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