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利用LT3072為數位IC實現單片雙線性的穩壓輸出

低壓差(LDO)線性穩壓器通常用於為處理器內核和通訊電路提供潔淨的電源。在這些應用中,由於處理器和功率放大器對電源輸出噪聲和負載瞬態響應具有嚴格的性能要求,因此LDO穩壓器較為普遍使用。弓般而言,這些電路需要一個LDO穩壓器,該穩壓器在額定電流和每個IC的電源軌方面都非常合適,以最大程度地減小解決方案尺寸。

通常LDO穩壓器需要對硬件進行修改以調節其輸出電壓,但是如果規格不斷變化,則更換電路板和組件可能會增加開發時間。在此類應用中,具有軟件可編程輸出電壓的LDO穩壓器可以節省時間和成本。不過,LDO穩壓器輸出的軟件控制只能解決部分問題。 LDO穩壓器通常用作開關穩壓器的後穩壓器。從LDO穩壓器的角度來看,開關穩壓器通常用於在輸入功率到達線性穩壓器之前對其進行預調節。理想情況下,開關穩壓器的輸出具有適當的裕量(高於LDO穩壓器的壓差),以便LDO穩壓器在其最有效的區域內工作,並優化了瞬態響應。為了保持LDO穩壓器的最佳輸入電壓,開關穩壓器的輸出必須根據LDO穩壓器的輸出進行調整。同樣,這是最好的實現方式,無需進行昂貴的硬件修改。

Analog Device Inc. LT3072雙路2.5A線性穩壓器滿足了數字IC電源的挑戰性要求,同時允許與硬件無關的輸出電壓調整,即使LT3072遵循預穩壓器輸入電源時也是如此。 LT3072具有UltraFast瞬態響應和80 mV的低壓差,允許在負載快速變化時輕鬆產生嚴格調節的電源電壓。僅10 µF(1 µF + 2.2 µF + 6.8 µF)的輸出電容就可以實現LT3072的低12 µV rms的輸出噪聲和UltraFast瞬態響應。低噪聲對於保持通信或傳感器電路的高性能很重要。LT3072在單個封裝中集成了兩個完全獨立的2.5A LDO穩壓器。 LT3072的0.6V至2.5V輸出電壓範圍足夠寬,可以為各種數字IC電源軌供電。通過設置LT3072上的幾個三態引腳,可以編程每個通道的輸出電壓,該方法可以通過跳線、微控制器或電源系統管理(PSM)IC輕鬆實現。

【技術基礎 -低壓差穩壓器的操作原理】

穩壓器用於提供穩定的電源電壓,與負載阻抗、輸入電壓變化、溫度和時間無關。低壓差穩壓器的特點是能夠維持穩定的穩壓能力,並且電源電壓和負載電壓之間的差異很小。例如,當鋰離子電池從4.2 V(充滿電)下降到2.7 V(幾乎放電)時,LDO可以維持負載上恆定為2.5V。

「線性」系列穩壓器(圖1)通常由參考電壓、縮放輸出電壓並將其與參考電壓進行比較的裝置、反饋放大器和串聯傳輸晶體管(例如BJT或FET)組成,該晶體管的電壓降由放大器控制,以將輸出保持在所需值。例如,如果負載電流減小,導致輸出逐漸增加,誤差電壓將增加,放大器輸出將上升,傳輸晶體管兩端的電壓將增加,並且輸出將返回其原始值。

PMOS LDO circuit diagram
圖1  基本增强模式 PMOS LDO

在圖1中,誤差放大器和PMOS晶體管形成一個電壓控制電流源。分壓器(R1,R2)將輸出電壓VOUT按比例縮小,並與參考電壓(VREF)進行比較。誤差放大器的輸出控制增強型PMOS晶體管。「壓降電壓」是輸出電壓與輸入電壓之間的差,在該電壓下,電路會隨著輸入電壓的進一步降低而退出調節。通常認為在輸出電壓降至標稱值以下100 mV時達到。該關鍵因素,亦是穩壓器的參數特性,取決於傳輸晶體管的負載電流和介面溫度。

【零件參數介紹 -具有低噪聲和超快速瞬態響應的可編程雙路輸出】

圖2顯示了獨立電路中的LT3072,適用於對功率有嚴格要求的數字IC負載。嚴格的電源規格的重要組成部分是能夠快速響應負載瞬態的能力,如圖2所示,這就是LT3072的UltraFast瞬態響應,12 µV rms輸出噪聲和80 mV壓降電壓特性滿足具有嚴格功率要求的數字IC的需求。在此原理圖中,顯示了三態VO1B2-0VO2B2-0引腳分別將OUT1固定為2.5 V和將OUT2固定為0.6 V,但是只需更改這些引腳上的狀態即可更改輸出電壓,從而實現軟件控制,無需耗時且昂貴的硬件修改即可實現LT3072的功能。

LT3072 application circuit
圖2  LT3072的應用線路圖(圖片來自Analog Device Inc.)

下圖3是 LT3072的單路輸出的UltraFast瞬態響應顯示,在幾微秒內的建立時間僅為10 µF(1 µF + 2.2 µF + 6.8 µF)的輸出電容。中間的跡線表明,可以使用附加電容來限制偏移幅度,但建立時間略長。

LT3072 Load Transient Response
圖3  LT3072的瞬態響應表現演(圖片來自Analog Device Inc.)

每個輸出值由三個三態引腳編程:VO1B2VO1B1VO1B0VO2B2VO2B1VO2B0。每個三態引腳可通過接地、浮動或對其施加電壓來設置。這樣可以將輸出編程為0.6 V至2.5V。除了設置標稱編程電壓外,裕度輸入還允許圍繞編程輸出電壓進行額外的±10%調整。各個輸入電壓可以比2.5 V和0.6 V輸出電壓低200 mV,或者稍高一些,以優化瞬態響應性能的裕量。輸出電壓狀態由PWRGD引腳指示,並且有一些引腳用於模擬輸出電流監控,這些引腳還可以設置±7%的精確輸出電流限值。還有一個引腳,用於模擬監視芯片溫度。

【應用分析 -具有獨立電壓輸入至輸出控制的雙電源降壓控制】

以下範例利用VIOC(電壓輸入至輸出控制)引腳用於控制兩個LT8610A作開關穩壓器,以控制為輸入供電的上游降壓型穩壓器。

LT3072 Dual Supply with Independent VOIC Buck Control
圖4具有獨立VOIC降壓控制的雙電源 (圖片來自Analog Device Inc.)

當中VIOC自適應地驅動降壓型穩壓器,以將LT3072的輸入至輸出電壓差在最大負載下保持為300mV,在輕負載下保持為450mV,從而以較小的輸入電容將功耗降至最低。LT8610A 是一款單片,恆定頻率,電流模式降壓型DC / DC轉換器。使用RT引腳上的電阻器設置頻率的振盪器在每個時鐘週期開始時打開內部頂部電源開關。

電路中利用RT=52.3K達到800Hz。 之後選擇L Inductor 值

電路中選擇L = 4.7uF。

使用LT3072 VIOC功能在LT3072和 LT8610A之間創建一個反饋環路。選擇該VIN-VOUT差分電壓標度可提供快速的瞬態響應和良好的高頻PSRR,同時最大程度地降低功耗並提高效率。例如,在2.5A滿輸出電流下,從1.5V到1.2V的轉換和從1.3V到1.0V的轉換在每個通道上產生0.75W的最大功耗。 VIOC引腳將調節到的最小輸入電壓通常為0.85V。

如應用於FPGA系統,FPGA系統設計人員現在可以將其功率估算與通過IMON / LIM引腳的負載電流的直接測量相關聯。

此功能每1A負載電流可提供333.3µA,作為輸出電流的縮放動態表示。終端電阻對IMON / LIM引腳電壓達到1V時的精確電流限制。

【市場分析– 零件比較】

在文章中我們介紹了LT3072,但礙於市場供應、項目預算或對某生產商的偏愛,筆者找出現市場上同類型,但生產於不同廠的線性穩壓,包括MAXIM INTEGRATED 的MAX8556和TEXAS INSTRUMENTS TPS7440,並列出各重要參數的比較表,讓工程師一目了然市場動態,順利選料。

LT3072/MAX8556/TPS74401 Comparison
圖5  LT3072與 MAXIMINTEGRATED MAX8556,TEXAS INSTRUMENTS TPS74401 比較表

【結言】

在數字世界的發展中,為數字IC提供完善的電源解決方案是大勢所趨。ANALOG DEVICE公司的LT3072為工程師提供一個不錯的選擇。LT3072雙路LDO穩壓器具有兩個具有UltraFast負載瞬態響應的低噪聲通道。通過設置幾個三態引腳可以設置兩個輸出電壓,而無需電阻。當LT3072的輸入電源是一個預調節器時,LT3072 VIOC功能可用於控制輸入電源,以允許輸出電壓編程中的動態變化,而不會犧牲瞬態響應性能或效率。

(參考原文:Dual Linear Regulator for Digital IC Power Enables On-the-Fly Output Adjustment and Dynamic Headroom Optimization,by Andy Radosevich)

(歡迎轉載,請註明出處。)

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