Avtor: Steve Knoth
Analog Devices, Inc.
2019_272_24
Integrirana vezja z linearnim regulatorjem znižajo napetost z višje napetosti na nižjo brez potrebe po tuljavi. Linearni regulator z nizkim padcem napetosti (LDO) je posebna vrsta linearnega regulatorja, v katerem padec napetosti – razlika med vhodno in izhodno napetostjo, potrebno za vzdrževanje regulacije – znaša običajno pod 400 mV. Zgodnji modeli linearnih regulatorjev so imeli padce napetosti reda velikosti ~ 1,3 V, kar za 5 V vhodno napetost pomeni, da je bila najvišja možna izhodna napetost le ~ 3,7 V, da bi vezje ustrezno reguliralo napetost. Kljub temu je v teh dneh bolj sofisticiranih tehnik načrtovanja in procesov izdelave rezin približna opredelitev nizke vrednosti med <100 mV do 300 mV.
Poleg tega, čeprav je LDO regulator pogosto eden od najcenejših komponent v katerem koli sistemu, je pogosto eden od najbolj dragocenih elementov na podlagi stroškov / koristi. Poleg regulacije izhodne napetosti je ključna naloga LDO regulatorja tudi zaščita drage opreme pred težkimi okoljskimi pogoji, kot so napetostni prehodni pojavi, šum napajanja, reverzna napetost, tokovni sunki itd.. Na kratko, morajo biti robustni in vsebovati vse zaščitne elemente, ki so potrebni za absorbiranje napak iz okolja, medtem ko ščitijo breme. Številni nizkocenovni linearni LDO regulatorji nimajo potrebnih zaščitnih elementov in tako odpovejo, kar pogosto povzroča škodo ne le regulatorju, ampak tudi bremenu.
LDO regulatorji proti ostalim regulatorjem
Nizkonapetostna “step-down” pretvorba in regulacija se lahko dosežeta z različnimi metodami. Stikalni regulatorji delujejo z visokim izkoristkom v širokem razponu napetosti, vendar za delovanje potrebujejo zunanje komponente, kot so tuljave in kondenzatorji, s čimer zavzamejo relativno večjo površino tiskanega vezja. Kapacitivni stikalni pretvorniki (ali pretvorniki napetosti s preklopnim kondenzatorjem) se lahko uporabljajo tudi za doseganje nižje pretvorbe napetosti in običajno delujejo z višjo učinkovitostjo, odvisno od regije pretvorbe, vendar so omejeni v zmožnostih izhodnega toka, trpijo zaradi slabih prehodnih pojavov in zahtevajo več zunanjih komponent v primerjavi z linearnim regulatorjem.
Današnja generacija hitrih, nizkonapetostnih digitalnih integriranih vezij, ki porabijo veliko toka, kot so FPGA, DSP, CPU, GPU in ASIC, so postavili strožje zahteve za napajalnike, ki napajajo jedro in I / O kanale. Ker tradicionalni kapacitivni stikalni pretvorniki ne zmorejo potrebnega izhodnega toka in prehodnega odziva, so bili za napajanje teh naprav uporabljeni učinkoviti stikalni regulatorji. Vendar pa imajo stikalni regulatorji potencialne težave zaradi šuma, včasih pa imajo počasen prehodni odziv in omejitve v postavitvi na tiskanem vezju.
Zato so LDO regulatorji alternativa v teh aplikacijah, kot tudi v drugih nizkonapetostnih sistemih. Zahvaljujoč nedavnim inovacijam izdelkov in izboljšavam funkcij, LDO regulatorji ponujajo nekatere prednosti, zaradi katerih so bolj zaželeni.
Poleg tega, ko gre za napajanje na šum občutljivih analognih / RF aplikacij (ki se običajno nahajajo v preskusnih in merilnih sistemih, kjer mora biti merilna natančnost naprave ali opreme boljša od tistega, ki ga merimo), so LDO regulatorji na splošno v prednosti pred stikalnimi pretvorniki. Nizkošumni LDO regulatorji poganjajo širok spekter analognih / RF projektov, vključno s frekvenčnimi sintetizatorji (PLL / VCO-ji), RF mešalniki in modulatorji, zelo hitrimi in visoko ločljivimi pretvorniki podatkov ter natančnimi senzorji. Kljub temu so te aplikacije dosegle občutljivost, ki testirajo meje konvencionalnih nizkošumnih LDO regulatorjev. Na primer, v številnih visokokakovostnih VCO-jih, šum napajanja neposredno vpliva na fazni šum VCO izhoda (tresenje). Poleg tega, da bi izpolnili splošne zahteve glede učinkovitosti sistema, LDO regulator običajno dodatno regulira izhod razmeroma šumečega stikalnega pretvornika, tako da je zmogljivost dušenja visoke frekvence napajanja (PSRR) za LDO bistvenega pomena. Poleg tega se lahko raven šuma zmanjša za dva do tri razrede velikosti z LDO regulatorjem v primerjavi s standardnim industrijskim stikalnim regulatorjem od mV (rms) do enomestnega μV (rms) območja.
Načrtovalski izzivi pri LDO
Nekatera integrirana vezja, kot so operacijski ojačevalniki in merilni ojačevalniki, ter pretvorniki podatkov, kot so digitalno-analogni pretvorniki (DAC) in analogno-digitalni pretvorniki (ADC), so t.i. vezja z dvojno napetostjo, ker zahtevajo dva vhoda za napajanje: enega za pozitivno in enega za negativno napetost. Pozitivna veja je bila običajno napajana s pozitivno referenčno napetostjo ali še bolje, z linearnim regulatorjem z nizkim padcem napetosti. Negativna veja je bila tradicionalno napajana z negativnim stikalnim regulatorjem ali pretvornikom. Vendar pa lahko stikalni pretvornik s tuljavo zlahka vnese šum v sistem. S prihodom negativnih regulatorjev je postalo koristno, da napajate negativni sistem z negativnim LDO regulatorjem in izkoristite vse funkcije LDO regulatorja (brez tuljave, z nižjim šumom, višjim PSRR, hitrim prehodnim pojavom in odlično zaščito). Starejši LDO regulatorji imajo veliko slabši PSRR in šum, in čeprav jih je še vedno mogoče uporabiti za ustvarjanje teh tihih vrst napajalnikov, je potrebnih veliko dodatnih komponent, prostora na tiskanem vezju in časa za načrtovanje, da se sistem postavi skupaj. Te dodatne komponente lahko tudi negativno vplivajo na preračun moči glede na njihove značilnosti (parazitske upornosti itd.).
Obstaja še ena zahtevna zmogljivost sistema, značilna za stranke, ki uporabljajo operacijske ojačevalnike, ADC ali druge komponente signalne verige: ti IC-ji nimajo možnosti neskončnega dušenja napajanja in, kar je še slabše, je možnost dušenja napajanja pri visoki frekvenci bistveno nižja. V preteklosti je to pomenilo uporabo dodatnih komponent filtriranja na tiskanem vezju, kar poveča velikost rešitve. Nadalje, če oblikovalec poskuša pridobiti večjo natančnost, se lahko pojavi več težav, če ima napajanje regulatorja prekomeren šum, ki povzroča neželeno spremembo v scenariju merjenja.
Veliko industrijskih standardnih linearnih regulatorjev opravlja nalogo regulatorja z nizkim padcem z eno napajalno napetostjo, vendar večina ne more doseči kombinacije pretvorbe zelo nizke napetosti z nizkim izhodnim šumom, širokimi vhodnimi / izhodnimi napetostmi in obsežnimi zaščitnimi funkcijami. PMOS LDO regulatorji dosežejo nizek padec in delujejo na enojni napajalni napetosti, vendar so pri nizkih vhodnih napetostih omejeni z VGS karakteristikami tranzistorja in nimajo številnih zaščitnih funkcij kot visoko zmogljivi regulatorji. Naprave, ki temeljijo na NMOS, nudijo hiter prehodni pojav, vendar zahtevajo dve napetosti za prednapetost naprave. NPN regulatorji ponujajo široko območje vhodne in izhodne napetosti, vendar zahtevajo dve napajalni napetosti ali pa je padec višji. Nasprotno, z ustrezno arhitekturo projektiranja, lahko PNP regulator doseže nizek padec, visoko vhodno napetost, nizko raven šuma, visok PSRR in zelo nizko napetostno pretvorbo z odlično zaščito in vse iz enojne napajalne napetosti.
Za najboljšo splošno učinkovitost, se veliko visoko zmogljivih analognih in RF vezij napaja iz LDO regulatorjev, ki regulirajo izhod stikalnega pretvornika. Za to so potrebni visok PSRR in nizek šum izhodne napetosti pri nizkih razlikah med vhodnimi in izhodnimi napetostmi preko LDO regulatorja. LDO regulator z visokim PSRR enostavno filtrira in duši šum iz izhoda stikalnega napajalnika, ne da bi potreboval zapletene filtrirne komponente. Poleg tega je naprava z nizkim šumom izhodne napetosti na široki pasovni širini koristna za današnje sodobne napajalne veje, kjer je občutljivost na šum ključnega pomena. Nizek šum izhodne napetosti pri visokih tokovih je očitno obvezen.
Novi LDO regulatorji z ultra nizkim šumom, ultra visokim PSRR
Jasno je, da ima rešitev z LDO, ki rešuje vprašanja, opisana v tem dokumentu, naslednje atribute:
- Zelo nizek izhodni šum
- Visok PSRR preko širokega frekvenčnega področja
- Delovanje z nizkim padcem napetosti
- Deluje z enojno napajalno napetostjo (za enostavnost uporabe in sproščene izzive oskrbe)
- Kratki časi prehodnih pojavov
- Delovanje preko širokega obsega vhodno / izhodnih napetosti
- Zmerna zmožnosti izhodnih tokov
- Odlične termalne lastnosti
- Kompaktno ohišje
Za reševanje teh specifičnih potreb je Analog Devices predstavil svojo družino LT304x z ultra visokim PSRR, ultra nizkošumnih LDO regulatorjev. Najnovejši član je dopolnilni LT3094, z ultra nizkim šumom, ultra visokim PSRR, nizkim padcem napetosti, 500 mA negativnim linearnim regulatorjem. To vezje je negativna verzija priljubljenega 500 mA LT3045 (LT3042 za 200 mA). Edinstvena zasnova LT3094 vključuje ultra nizek šum s samo 2 nV / √Hz pri 10 kHz in 0,85 µV rms integriran izhodni šum v široki pasovni širini 10 Hz do 100 kHz. Delovanje PSRR je izjemno: nizkofrekvenčni PSRR presega 100 dB do skoraj 4 kHz, visokofrekvenčni PSRR pa presega 70 dB do 2 MHz, zmanjšuje šumeče ali zelo valovite vhodne napajalnike. LT3094 uporablja lastno LDO arhitekturo: natančno referenco tokovnega vira, ki ji sledi visoko zmogljivi ojačevalnik z ojačenjem 1, kar rezultira v skoraj konstantno pasovno širino, šum, PSRR in zmogljivost regulacije obremenitve, neodvisno od izhodne napetosti. Poleg tega ta arhitektura omogoča paralelno vezavo večjega števila LT3094, kar dodatno zmanjša šum, poveča izhodni tok in širi toploto na tiskano vezje.
LT3094 zagotavlja do 500 mA izhodnega toka z 230 mV padcem napetosti pri polni obremenitvi, v širokem območju od -2 V do –20 V vhodne napetosti. Območje izhodne napetosti je od 0 V do –19,5 V, toleranca izhodne napetosti pa je zelo natančna pri ± 2% obremenitvi in temperaturi. Širok razpon vhodne in izhodne napetosti vezja, visoka pasovna širina, visoka frekvenca PSRR in ultra nizek šum so idealni za napajanje aplikacij, občutljivih na šum, kot so PLL-ji, VCO-ji, mešalniki in LNA-ji; instrumenti z zelo nizkim šumom, kot so merilne naprave, pretvorniki podatkov visoke hitrosti / visoke natančnosti; medicinske aplikacije, kot so slikanje in diagnostika, in natančni napajalniki; post-regulatorji za stikalne napajalnike.
LT3094 deluje z majhnimi in poceni 10 µF keramičnimi izhodnimi kondenzatorji, ki optimizirajo stabilnost in prehodni pojav. En zunanji upor nastavlja mejo tokovne omejitve (± 10% pri višji temperaturi). VIOC priključek naprave nadzoruje regulator za zmanjšanje izgubne moči in optimizacijo PSRR. En priključek za kondenzator zniža izhodni šum in zagotavlja funkcijo referenčnega mehkega zagona, ki preprečuje prekoračitev izhodne napetosti pri vklopu. Poleg tega notranja zaščita naprave vsebuje notranjo tokovno omejitev (foldback) in termično omejitev s histerezo. Druge funkcije vključujejo zmogljivost hitrega zagona (uporabno, če se uporablja velik kondenzator na SET priključku) in signalizacijo pravilnega delovanja (prvi negativni LDO regulator v industriji s to funkcijo) s programabilnim pragom, ki kaže regulacijo izhodne napetosti.
LT3094 je na voljo v termično izboljšanih ohišjih DFN in MSOP z 12 priključki, dimenzij 3 mm × 3 mm, obe ohišji s kompaktno površino. Različice E in I so na voljo na zalogi s temperaturnim območjem delovanja od –40 ° C do + 125 ° C.
LT3094 zahteva izhodni kondenzator za stabilnost. Zaradi visoke pasovne širine je priporočljivo uporabljati keramične kondenzatorje z nizkim ESR in ESL. Za stabilnost je potrebna najmanj 10 µF izhodna kapacitivnost z ESR pod 30 mΩ in ESL pod 1,5 nH. Glede na visok PSRR in nizko raven šuma doseženo z uporabo enega 10 µF keramičnega izhodnega kondenzatorja, večje vrednosti kondenzatorja le malo izboljšajo učinkovitost, saj se pasovna širina regulatorja zmanjšuje s povečanjem izhodne kapacitivnosti. Zato bi malo pridobili z uporabo večjega kot najmanj potrebnega 10 µF izhodnega kondenzatorja. Kljub temu pa večje vrednosti izhodne kapacitivnosti zmanjšujejo največje odstopanje izhodne napetosti med prehodnim pojavom na bremenu.
Prednosti paralelno vezanih naprav
Večji izhodni tok se doseže z vzporedno vezavo LT3094. Povežite vse priključke SET skupaj in vse IN priključke skupaj. Priključite OUT priključka skupaj s kratkimi povezavami na TIV (ki se uporabljajo kot balastni upor) za izenačenje tokov v LT3094. Več kot dva LT3094 sta lahko vzporedno vezana tudi za še večji izhodni tok in nižji izhodni šum. Zmanjšanje izhodnega šuma je sorazmerno s kvadratnim korenom števila naprav vezanih vzporedno. Vzporedna uporaba več LT3094-jev je uporabna tudi za porazdelitev toplote na tiskano vezje. Za aplikacije z visoko razliko napetosti med vhodom in izhodom se lahko za širjenje toplote uporabi tudi vhodni serijski upor ali upor vzporedno z LT3094. Glejte sliko 4 za izvedbo vzporednega vezja.
Tabela 1 kaže ADI družino LDO regulatorjev z ultra visokim PSRR in ultra nizkim šumom.
Zaključek
Pozitivni 200 mA LT3042, 500 mA LT3045, in zdaj, nov komplementaren LT3094 negativen 500 mA LDO, nudijo odlične performanse glede šuma in PSRR-a. Ta atributa, skupaj s širokim razponom napetosti, nizkim padcem napetosti, odlično zaščito in robustnostjo ter enostavno uporabo, so idealni za napajanje bipolarnih pozitivnih / negativnih vej napajanja, ki so občutljive na šum, na primer v sistemih za testiranje in merjenje ali v medicinskih sistemih. S svojo trenutno referenčno zasnovano arhitekturo vpliv šuma in PSRR ostane neodvisen od izhodne napetosti. Poleg tega je lahko več naprav vzporedno vezanih za nadaljnje zmanjšanje izhodnega šuma, povečanje izhodnega toka in širjenje toplote na tiskano vezje. LT3042, LT3045 in LT3094 prihranijo čas in stroške ter izboljšajo zmogljivost aplikacije.
O avtorju
Steve Knoth je višji inženir za trženje izdelkov v skupini Analog Devices Power by Linear. Odgovoren je za vsa močnostna integrirana vezja (PMIC), regulatorje z nizkim padcem napetosti (LDO), polnilnike baterij, stikalne napajalnike, gonilnike LED na osnovi stikalnih napajalnikov, super kondenzatorske polnilnike, nizkonapetostne stikalne regulatorje in idealne diode.
Preden se je leta 2004 pridružil podjetju Linear Technology (zdaj ADI), je Steve od leta 1990 delal na različnih položajih na področju trženja in produktnega inženiringa v podjetju Micro Power Systems, Analog Devices in Micrel Semiconductor. Leta 1988 je diplomiral iz elektrotehnike in leta 1995 magistriral iz fizike, oboje na državni univerzi v San Joseju.
Steve je leta 2000 na Univerzi Phoenix prejel tudi MBA na področju tehnološkega managementa. Poleg tega, da uživa v času s svojimi otroki, se Steve lahko znajde v igri s fliperjem / arkadnimi igricami ali zmogljivimi avtomobili, kupuje, prodaja in zbira stare igrače in filme / športne / avtomobilske spominke. Lahko ga kontaktirate na steve.knoth@analog.com.
