線性穩壓器是一種無需使用電感器就能實現從較高電壓降至較低電壓的IC。低壓差線性穩壓器(LDO)則是一種特殊類型的線性穩壓器,其壓差電壓(輸入至輸出之間必須維持穩壓的電壓差)通常低於400mV。

早期的線性穩壓器設計提供~1.3V左右的壓差,這對於一個5V輸入意味著:為了讓元件維持穩壓狀態,可實現的最大輸出僅為~3.7V。最近,「低」壓差被認為是500mV或更小。然而,在設計方法和晶圓製程日益精細複雜的今天,「低」壓差通常大約為< 100mV~300mV。

此外,雖然在任何特定的系統中,LDO很少是最昂貴的系統元件,但如果以成本/優勢為出發點,它卻是最有價值的零組件之一。LDO所承擔的一項任務是保護昂貴的下游負載免於遭受電壓瞬變、電源雜訊、反向電壓、電流突波等嚴酷環境條件的損壞。簡單來說,其設計必須十分堅固,並包含所需的全部保護功能,以便因應在其所處環境中的損害,並且同時保護負載。許多低成本的LDO線性穩壓器由於不具備必要的保護功能而發生故障,不僅常常導致穩壓器本身受損,還殃及下游負載。

LDO與其他穩壓器的比較

低電壓降壓轉換和穩壓可採用多種方法來實現。開關穩壓器可在寬廣的電壓範圍內高效地作業,但其操作需要借助電感和電容等外部元件,因而佔用相對較大的電路板空間。另外,也可以使用無電感的充電泵(或開關電容電壓轉換器)來實現較低的電壓轉換,但其輸出電流能力有限,暫態響應性能不佳,而且較線性穩壓器需要使用更多的外部零件。

目前的快速、較高電流、低電壓數位IC系列(例如FPGA、DSP、CPU、GPU和ASIC)對於為核心和I/O通道供電的電源具有嚴格的要求。傳統上,業界一向採用高效率的開關穩壓器為這些元件供電,但它們可能存在一些潛在的雜訊干擾問題以及暫態響應和佈局上的侷限。因此,LDO在此類應用及其他低電壓系統中逐漸成為一種替代方案。由於近期的產品創新和功能改善,使LDO擁有一些使其更合乎使用者需要的性能優勢。

再者,當談到為那些對雜訊敏感的類比/射頻(RF)應用(例如測試和測量系統中所常見的,在此類系統中機器或設備的測量準確度必須比被測的實體更高出幾個數量級)供電時,人們通常優先選擇LDO,而不是功能相同的開關穩壓器。低雜訊LDO穩壓器可為一系列廣泛的類比/RF設計供電,包括頻率合成器(PLL/VCO)、RF混頻器和調變器、高速和高解析度資料轉換器(ADC和DAC)以及高精度感測器。

然而,這些應用對於靈敏度的要求正考驗著傳統低雜訊LDO的性能極限。例如,在很多高階的壓控振盪器(VCO)中,電源雜訊直接影響著VCO輸出相位雜訊(抖動)。而且,為了滿足總體系統效率要求,LDO通常對雜訊較高的開關轉換器輸出實施後置穩壓,因此,LDO的高頻電源漣波抑制(PSRR)性能變得極為重要。

LDO設計挑戰

許多業界標準的線性穩壓器採用單個電壓電源來執行低壓差作業,但是大多數無法同時實現超低電壓轉換、低輸出雜訊、寬廣範圍輸入/輸出電壓和豐富保護功能的功能組合。PMOS LDO可實現低壓差並依靠單個電源供電運作,但由於傳輸電晶體的Vgs特性而被限制在低輸入電壓,而且缺乏高性能穩壓器所提供的諸多保護功能。NMOS型元件可提供快速暫態響應,但是需要兩個電源才能對元件施加偏置。NPN穩壓器可提供寬廣的輸入和輸出電壓範圍,但是需要兩個電源或是較高的壓差。相較之下,利用正確的設計架構,PNP穩壓器能夠實現低壓差、高輸入電壓、低雜訊、高電源紋波抑制(PSRR)和超低電壓轉換以及無懈可擊的保護,而所有這些均由單個電源軌提供支援。

為了獲得最佳的總體效率,很多高性能類比和RF電路由負責對開關轉換器輸出實施後置穩壓的LDO供電。這需要在LDO兩端上具有低輸入至輸出差分電壓的情況下實現PSRR和低輸出電壓雜訊。具有高PSRR的LDO易於濾除和抑制來自開關電源輸出的雜訊,而無需使用龐大的濾波元件。再者,對於當今把雜訊敏感性作為主要考慮因素的新式電源軌而言,在寬廣頻寬內具有低輸出電壓雜訊的元件也是十分有益的。顯然地,在大電流時具有低輸出電壓雜訊是一項必要的性能指標。

新型的超低雜訊、超高PSRR LDO系列

很明顯,可解決這些問題的LDO解決方案應具有以下特性:

  • 非常低的輸出雜訊
  • 低壓差作業
  • 在寬廣的頻率範圍內具有高PSRR
  • 單一電源作業(旨在實現易用性以及緩解電源排序難題)
  • 快速暫態響應時間
  • 可在寬廣的輸入/輸出電壓範圍內作業
  • 適度的輸出電流能力
  • 卓越的熱性能
  • 精巧的佔位面積

例如,為了滿足這些特定的需要,凌力爾特科技(Linear Technology)推出了具有超高PSRR的超低雜訊LDO穩壓器LT304x系列。該系列的最新成員是LT3045,這是一款超低雜訊、超高PSRR低壓差電壓線性穩壓器。該元件是先前發表之200mA LT3042超低雜訊LDO的較高輸出電流版本。LT3045的獨特設計具有僅為2nV/√Hz (在10kHz)的超低點雜訊和0.8uVRMS的積分輸出雜訊(在10Hz至100kHz的寬廣頻寬範圍內)。低頻PSRR超過90dB(直到10kHz),而高頻PSRR則超過70dB(直到2.5MHz),可使雜訊或高紋波輸入電源變得‘安靜’。

LT3045採用凌力爾特的專有LDO架構,在一個高精度電流源參考之後佈設一個高性能單位增益緩衝器,從而可產生幾乎恒定的頻寬、雜訊、PSRR和負載調節性能,而且與輸出電壓無關。此外,該架構還允許將多個LT3045並聯使用,以進一步降低雜訊、增加輸出電流,並在電路板上散播熱量以改善熱性能。

LT3045可在滿負載情況下,在1.8V至20V的寬輸入電壓範圍內提供高達500mA的輸出電流以及260mV的壓差電壓。輸出電壓範圍為0V至15V,而且輸出電壓容限高度準確,在整個電壓、負載和溫度範圍內為±2%。該元件具有寬廣輸入和輸出電壓範圍、高頻寬、高PSRR和超低雜訊等性能,使其非常適合為高雜訊敏感應用供電,例如PLL/VCO/混頻器/LNA、超低雜訊儀錶、高速/高精度資料轉換器、醫療應用(如成像和診斷)、高精度電源,以及作為開關電源的後置穩壓器。

LT3045採用一個小型和低成本的10uF陶瓷輸出電容操作,因而最佳化其穩定性和暫態響應。單一電阻負責設置外部精準電流門檻(在整個溫度範圍內為±10%)。單個SET針腳電容用於降低輸出雜訊並提供參考軟啟動功能,可防止在導通時產生輸出電壓過衝。此外,該元件的內部保護電路還包括電池反接保護、反向電流保護、具折返的內部電流限制和具遲滯的熱限制。其他特點包括快速啟動能力(適用於採用大數值SET針腳電容的場合)和一個具可編程閾值的電源良好標記,以指示輸出電壓調節。圖1所示為典型的應用電路原理圖。

LT3045採用散熱加強型10接腳3mm x 3mm DFN封裝(接腳與LT3042 相容)和12接腳MSOP封裝,兩種封裝版本的佔位面積都很精巧。E級和I級版本已有現貨供應,工作接面溫度範圍為-40℃至125℃。未來的高溫H級版本額定工作溫度範圍將擴展為-40℃至150℃。

20161220 Linear TA31P1 圖 1:LT3045典型應用電路原理圖和特點

LT3045需要採用輸出電容器以實現穩定性。有鑒於其高頻寬,該元件要求使用低ESR和ESL陶瓷電容。為了實現穩定性,必須採用具有低於20mΩ ESR、低於2nH ESL的10uF (最小值) 輸出電容。考慮到採用單個10uF陶瓷輸出電容所獲得的高PSRR和低雜訊性能(參見圖2和圖3),更大數值的輸出電容僅能微幅改善性能,原因是穩壓器的頻寬隨著輸出電容的增加而減小,因此,採用大於10uF (最小值)的輸出電容成效甚微。

電源紋波抑制 20161220 Linear TA31P2 圖2:LT3045的PSRR性能

積分型RMS輸出雜訊(10Hz至100kHz) 20161220 Linear TA31P3 圖3:LT3045的輸出雜訊性能

並聯元件的好處

簡單地把所有的SET接腳連接在一起,以及把所有的IN接腳連接在一起,即可並聯多個LT3045 IC,從而獲得較高的輸出電流。使用一小段PCB佈線(用作一個鎮流電阻器)連接OUT針腳以均衡來自LT3045的電流。此外,還可並聯兩個以上的LT3045以提供更高的輸出電流和更低的輸出雜訊。並聯多個LT3045對於在PCB上散熱也很有幫助。對於具有高輸入至輸出差分電壓的應用,還可使用一個輸入串聯電阻器或與LT3045並聯的電阻器以實現散熱。圖4為並聯電路實施方案。

20161220 Linear TA31P4 圖4:LT3045並聯作業

結論

LT3042和LT3045帶來突破性的雜訊和PSRR性能,再加上其寬電壓範圍、低壓差電壓、堅固性和易用性,使其非常適合為雜訊敏感的應用供電,例如測試與測量系統。憑藉其基於電流參考的架構,雜訊和PSRR性能不會受到輸出電壓的影響。此外,還可以直接並聯多個元件,以進一步降低輸出雜訊、增加輸出電流以及在PCB上散熱。