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    通過主動輸出放電功能來保護敏感和昂貴的負載

    2017-10-26   

    中國電源產業網

    導語:通過主動輸出放電功能來保護敏感和昂貴的負載

    通過主動輸出放電功能來保護敏感昂貴的負載

    Steve Knoth

    ADI 公司電源產品部高級產品市場工程師)

    背景信息

    線性穩壓器普遍用于很多現代電子系統中。盡管低壓差(LDO)線性穩壓器極少成為最昂貴的系統組件,但是從成本/效益角度來看,這種穩壓器卻常常是最有價值的組件之一。LDO的其中一個任務是保護下游負載,避免因嚴酷的環境條件而損壞,例如因溫度偏移、電壓瞬態、電源噪聲、電壓反向、電流浪涌以及 EMI ESD而被損壞。簡言之,其設計必須堅固可靠,并包含減輕環境影響所需的所有保護功能,同時保護負載。很多低成本 LDO線性穩壓器不包含必要的保護功能,因此無法起到保護作用,常常不僅引起穩壓器損壞,還導致負載受損。

    對于需要保護昂貴和敏感的負載而言,圖像傳感器系統就是一種典型的例子。圖像傳感器通常包含尖端、昂貴的數字IC,這些IC獲取圖像,并將其直接轉換成數字圖像。兩種最流行的圖像傳感器是電荷耦合器件(CCD)CMOS成像儀。諸如內窺鏡、安防攝像頭等各種設備都包含圖像傳感器。

    有些應用要求在通電和斷電時控制電源周期。在多軌系統中,FPGA、ASIC、DSP、微處理器以及其他數字IC要求多個電壓軌必須以特定順序啟動和關斷。否則,這些IC就有可能損壞,或者系統的加電復位邏輯可能出現訛誤。如果沒有正確排序,就可能產生災難性后果。對于必須控制輸出狀態的系統而言,如軍事、航空電子或航天等高可靠性系統都是非常典型的例子,尤其是如果需要電源電壓不斷循環接通和斷開時。

    LDO可以運用主動輸出放電功能來滿足系統的斷電要求,主動輸出放電功能可使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,或者如果啟動關斷功能,那么具主動輸出放電功能的LDO可以由一個NMOS開關快速拉低輸出電壓。具主動輸出放電功能的器件之主要優勢是,斷電時,輸出處于已知狀態。無論負載狀態如何,這類器件的輸出始終按照預期快速放電。就關斷時要求準確電源排序的應用 (例如:圖像傳感器和微控制器)而言,能夠主動輸出放電是很重要。

    低壓差線性穩壓器 (LDO)與其他穩壓器的比較

    低壓降壓型轉換和穩壓可以通過多種方法實現。開關穩壓器在很寬的電壓范圍內以高效率運行,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(或開關電容器電壓轉換器)可用來實現更低壓的轉換,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定。低壓差線性穩壓器通常效率較低,但產生的噪聲也較小,而且更易于用來實現降壓型應用。不過,現代設計方法和芯片制造工藝已經使低壓差線性穩壓器(LDO)能夠進一步深入降壓型應用領域了?,F在,低壓差線性穩壓器具備超快瞬態響應、低壓差電壓、低壓運行(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、低壓數字IC(例如: FPGA、DSP、CPUASIC)對于給內核及I/O通道供電的電源要求很嚴格。不過,從供電角度考慮,這些數字IC不夠穩定。傳統上,一直用高效率開關穩壓器給這類器件供電,但是開關穩壓器可能有潛在的噪聲干擾問題以及瞬態響應和布局限制。因此,LDO作為可以選擇的器件,在這類應用以及其他低壓轉換系統中,正在找到用武之地。由于最近的產品創新和功能增強,趨勢正在改變,新的LDO幾乎不需要在性能上做出折中。

    LDO設計挑戰

    大量工業標準線性穩壓器用單個電壓源以低壓差運行,但是大多數穩壓器不能同時提供電壓和輸出噪聲非常低的轉換(輸出低至0.6V)、很寬的輸入/輸出電壓范圍和廣泛的保護功能。PMOS LDO能夠用單個電源以低壓差運行,但是受到通路晶體管VGS特性的限制,輸入電壓不能很低?;?/span>NMOS的器件提供快速瞬態響應,但是需要兩個電源來偏置該器件。NPN穩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穩壓器如果架構設計得當,可以用單個電源實現很低的壓差、很高的輸入電壓、低噪聲和低壓轉換,而且能夠提供可靠的保護。

    隨著工藝技術節點的不斷縮小,現代數字IC需要以更低的電壓運行。就很多現有輸入電壓軌而言,以較大電流和更低的輸出電壓運行意味著,從線性穩壓器的功耗會增大。增加的功耗直接轉換成了熱量。因此,需要采用最新封裝方法,以最大限度減少穩壓器內部的溫度上升,并限制應用的熱量問題。此外,能夠以低壓差運行的線性穩壓器(最大限度減小輸入和輸出電壓之差,同時穩壓器保持對輸出的調節和穩定性)可降低功耗,因此減輕了熱量問題。

    還有兩項挑戰是,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,產生干凈、穩定的輸出。此外,在很寬的帶寬上輸出電壓噪聲很低的器件對現今的電壓軌是有益的,因為對現代電壓軌而言,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LDO提供主動輸出放電功能,以保護負載。不過,現有解決方案僅在器件關斷時啟動。到現在為止,還很難找到有“雙重”作用以主動輸出放電的電路設計,即是當輸入電壓被拉低時也啟動該功能。

    一種新的單電源線性穩壓器

    顯然,一個主動輸出放電的LDO應該具備以下特性:

    用單電源運行(以易于使用)

    快速瞬態響應時間

    在很寬的輸入/輸出電壓范圍內工作

    能夠提供很大的輸出電流

    低輸出噪聲

    以非常低的壓差運行

    出色的熱性能

    在很寬的頻率范圍內有高的 PSRR

    主動輸出放電的電路具完整的雙重作用 ─ SHDNVIN 被拉低時都有效

    幸運的是,凌力爾特公司最近推出了具主動輸出放電功能的500mA LT3066低壓差線性穩壓器,該器件具備上述所有必要的屬性。有些應用要求,關斷時輸出狀態是已知的,LT3066的設計滿足這種要求。其輸出始終按照預期快速放電,而不論負載處于什么狀態。

    LT3066是一款高壓、低噪聲、低壓差電壓線性穩壓器,提供精準、可編程的電流限制,主動放電,一個電源良好標記,以及更好的電源抑制比(PSRR)。該器件提供高達500mA輸出電流,滿負載時壓差電壓為300mV。LT3066包含一個內部高壓NMOS下拉電路,以在SHDN引腳被拉低或輸入電壓被斷開時給輸出電壓放電。對于啟動和停機時需要電源調節的應用 (例如:高端成像傳感器或微控制器),這種快速主動輸出放電功能有助于保護負載。

    LT3066具很寬的1.8V45V輸入電壓范圍,輸出電壓在0.6V19V范圍內可調。單個REF/BYP引腳電容器提供軟啟動功能,使該器件能夠在10Hz100kHz帶寬內以僅為25μVRMS 的低噪聲運行。輸出電壓容限隨電壓、負載和溫度變化為高度準確的±2%。另一個INFILT引腳電容器在20kHz1MHz頻率范圍內,將PSRR改進15dB 30dB,而在1MHzPSRR達到了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標記指示輸出處于穩定狀態。LT3066用一個電阻器精確設定外部電流限制(在整個溫度范圍內為±10%)。此外,LT3066的內部保護電路包括電池反向保護、電流反向保護、折返電流限制和過熱限制。主動放電電路提供安全工作區(SOA)折返功能,以保護下拉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+20V。如圖1所示,該器件具很寬的輸入和輸出電壓范圍、快速瞬態響應以及64μA (工作時)<3μA (停機時)的低靜態電流,因此成為工業電源、航空電子系統電源、汽車電源、需要最佳運行時間的電池供電型系統及儀器、以及需要提供廣泛保護的高可靠性電源之出色選擇。

    image.png

    圖 1:LT3066 典型應用原理圖及其功能

     3.3V Supply with 497mA Precision Current Limit:具 497mA 精準電流限制的 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 實現軟啟動

    2顯示,具備主動輸出放電功能的500mA LT3066與類似的LT3065 (500mA,沒有主動輸出放電功能)相比的優勢。

    image.png

    圖 2:具備主動輸出放電功能的 LT3066 與 LT3065 的比較

    ACTIVE OUTPUT DISCHARGE FOLDBACK:主動輸出放電折返

    ACTIVE OUTPUT DISCHARGE:主動輸出放電

    LT3065有一個10mA負載,LT3066僅由設定輸出電壓(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載,由于該器件提供主動輸出放電功能,所以輸出電壓也會快速放電。相比之下,LT3065的輸出電容器僅由連至其上的10mA負載放電,放電速度慢得多。

    就高于7V左右的輸出電壓而言,LT3066實施主動輸出放電折返,因此,用來主動輸出放電的晶體管之驅動降低了,這可限制該器件消耗的功率。由于產生了折返,所以在示波器顯示屏上看到,LT306612V波形從12V7V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,或者萬一發生故障,使輸出短路至很高的電壓時,這樣的放電速度可以保護LT3066免于損壞。

    具備主動輸出放電功能的器件之主要優勢是,器件關斷時,輸出處于設定的已知狀態。輸出始終按照預期快速放電,而無論負載處于什么狀態。對停機時要求精準電源排序的應用而言,這種特性很重要。

    PSRR性能的改進

    LT306x系列中的其他器件相比,LT3066通過INFILT引腳提高了PSRR性能。INFILT引腳是一個單獨的輸入引腳,為誤差放大器和基準供電。這個引腳通過內部140? 電阻器連至IN引腳。在INFILT引腳和地之間連入一個去耦電容器,就形成了一個RC濾波器,以降低誤差放大器和基準的輸入電源紋波。在INFILT引腳上連接一個0.47μF 去耦電容器,可在高于10kHz的頻率上使PSRR改進多達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。

    image.png

    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

    不是所有應用都需要主動輸出放電以保護敏感負載,也不是所有應用都要求輸出電流高達500mA。因此,凌力爾特還開發了LT306x系列的另外5款器件,以提供一種富有吸引力的產品組合,這個系列的器件具備以下特點:高輸入和輸出電壓、低壓差電壓、低輸出電壓噪聲性能、廣泛的保護功能、快速響應以及很寬的100mA500mA輸出電流。其中有的器件具備主動輸出放電功能,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。

    1LT306x系列LDO功能和特點一覽

    LT3060

    LT3061

    LT3062

    LT3063

    LT3065

    LT3066

    輸入電壓

    1.6V45V

    1.6V45V

    1.6V45V

    1.6V45V

    1.6V45V

    1.6V45V

    額定輸出電流

    100mA

    100mA

    200mA

    200mA

    500mA

    500mA

    額定IOUT 時的壓差電壓

    300mV

    240mV

    300mV

    300mV

    300mV

    300mV

    基準電壓

    600mV

    600mV

    600mV

    600mV

    600mV

    600mV

    輸出容限

    (在整個電壓、負載和溫度范圍內)

    ±2%

    ±2%

    ±2%

    ±2%

    ±2%

    ±2%

    最低內部電流限制

    110mA

    110mA

    220mA

    220mA

    550mA

    550mA

    主動輸出放電(直至標稱值的10%)

    10μF 電容器,

    1ms時間

    10μF 電容器,

    1ms時間

    10μF 電容器,

    1ms時間

    噪聲(10Hz100kHz)

    30μV

    30μV

    30μV

    30μV

    25μV

    25μV

    輸出電壓范圍

    0.6V44V

    0.6V19V

    0.6V40V

    0.6V19V

    0.6V40V

    0.6V19V

    PWRGD,可編程ILIM

    輸入濾波器以改進PSRR

    結論

    新的電路設計方法和改進的芯片制造工藝豐富了基于 PNP通路晶體管LDO的性能特點。凌力爾特等供應商提供的這類LDO具備可靠的保護功能、很寬的輸入和輸出電壓范圍、低輸出噪聲和快速響應,能夠用單個電壓源以低壓差運行。新的LT306x系列有6款器件,輸出電流范圍為100mA500mA,其中3款器件還提供新的完整雙重作用主動輸出放電功能,這種功能非常適合用在圖像傳感器和高可靠性系統中,以保護敏感、昂貴的負載,同時實現精準的電源排序。

    來源:《電源工業》雜志

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