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简单并联 3A线性稳压器完成不简单任务
分散功耗与热能

【作者: Todd Owen】2012年08月07日 星期二

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基本型3终端稳压器长久以来都是设计人员工具包中建构组件之一,且30多年来其基本架构并没有重大改变,采用一个固定的参考电压、一个电阻分压器将输出电压提升到需求位准,此让组件的使用更加容易,因此也很受欢迎,但此简单架构有一些自身的缺点。


传统线性稳压器的一个缺点,是最低输出电压受限于稳压器的参考电位,另一个缺点则是不容易增加可用的输出电流或藉由并联组件来分散功耗。为了将负载均分于多个稳压器,用户必须增加大型镇流电阻,但如此会导致负载调节失误,或者以输入检测电阻和运算放大器等复杂的回路架构来平衡负载,但不可避免地此将失去简单线性稳压器所保有的单纯性。



图一 : LT3083 方块图
图一 : LT3083 方块图

但如果将参考电位丢除,且以一个精确的电流源取代,所获得的组件看起来就很单纯,如图1所示;一个精确电流源接入一个放大器的非反相输入接点,其输出驱动一个大型NPN旁路组件且连接到反相输入接点以提供单位增益。此番对于历史悠久线性稳压器组件所做的小改变在各种功能与效能上获得了巨大效益。


现在在此新架构下,将每一个 SET 针脚相连以并联稳压器,并提供一个公共参考给所有误差讯号放大器,使其有机会仅以几毫奥姆镇流电阻来平衡组件间电位偏移变化量,突然之间,很容易地便能在极多个所需组件间分散功耗,且扩展所需的输出电流。此架构美妙之处在于单一电阻生成参考电位给所有稳压器使用,不管是一个、十个或一百个稳压器,此外,此架构允许零电阻的接入等同零输出-以固定参考电压来限制输出电压范围的底部已不复存在。


新架构的优点

LT3080 1.1A 线性稳压器是第一款使用精确电流源架构的线性稳压器,能输出高电流且能并联任何数量的LT3080 表面黏着电源供应器。LT3083 针脚兼容于 LT3080且具有相似的高效能规格,但输出电流能力更提升至3A。新架构所提供的效能优点是无法计数的。



图二 : 参考电流温度特性
图二 : 参考电流温度特性

频率响应与负载稳压是固定的

传统线性稳压器的增益与带宽会随着输出电压受电阻分压器改变而变化,跳过不使用稳压器的回授针脚会影响回路响应性,负载无法稳压于固定电压,而是输出电压的固定比例因为电阻分压器会拾取任何电压偏异,此外,参考电压噪声也会为相同的电阻分压器捡取。


使用电流源与单位增益缓冲可消除这些缺点,因为误差讯号放大器总是工作于单位增益,频率响应不再是输出电压的函数或受旁通参考点所改变。负载此时便能稳压于固定电压,而不论输出电压为何。因为旁通跨接不会影响回路响应,两个噪声源便能被消除:参考电流源噪声和电阻散射噪声被一颗单一电容所平定,唯一剩下的误差讯号放大器噪声出现于输出端,形成一个与输出电压无关的固定电位。



图三 : 并联稳压器以获得较高电流与分散热能
图三 : 并联稳压器以获得较高电流与分散热能

DC特性

LT3083的DC特性与原本的LT3080相同,LT3083 分离出 NPN 旁路组件的集电极以最小化功耗。误差讯号放大器的负载稳压度典型低于1mV,且在 50uA参考电流侧则几乎无法测得。参考电流的输入电源稳压度小于0.0002%/V,误差讯号放大器电源稳压度偏移典型为2µV/V。参考电流的温度特性是绝佳的,在整个工作接面温度范围皆维持于0.2%以内,如图2所示。


LT3083 还提供所有凌力尔特组件所固有的电流限制保护特性,其具有安全工作区,以保护组件于短路环境时免于受到损坏,以及热极限可保护组件在过高功耗情况下的安全。


AC特性

请不要认为 LTC3083的AC特性在致力追求提高DC效能时将受到折损,小到仅10µF 的输出电容让其瞬时响应可达到绝佳境界,小型陶瓷电容的使用不会导入ESR,使用旁路电容跨接于参考电阻则提供一个缓慢的启动功能,输出电压会跟随由SET电阻和旁路电容所产生的RC时间常数。并联组件对噪声效能也提供一定的好处,并联多颗LT3083稳压器降低输出噪声的方式,如同并联n个运算放大器降低噪声达√n 倍。



图四 : 高电流参考缓冲
图四 : 高电流参考缓冲

应用

LT3083 看似简单的架构与高效能特性,使其应可用于超出基本线性稳压器范畴的非常强大建构单元,其可被简单地并联以增加输出电流与分散热能,高度驱动SET针脚是绝对可接受的;低偏移与高输出电流使其在高电位电源环境提供高精准的参考电压供应,透过DAC驱动 SET针脚可数字编程输出供应。准确电流源可被实现无需经历无数困难,可能性只受限于用户的想象力。


并联稳压器增加输出电流与分散热能

图3显示如何并联多颗 LT3083来增加输出电流与分散热能,请注意平衡稳压器间负载的最小镇流电阻数量。透过增加更多 LT3083来产生静态且准确的高电流的表面黏着电源供应是有可能的,虽然功耗被均匀分散于并联稳压器间,但热能管理依然是需要的,透过横跨稳压器两端低至0.5V的压降,当负载流经3A时将产生1.5W功耗,进而推升表面黏着设计的散热能力。



图五 : 可数字编程之电源供应
图五 : 可数字编程之电源供应

高电流参考缓冲

创建一个高电流参考缓冲不需花费太多力气,如同图4所示,在此电路,LT1019-5 输出相连以引入稳压器50µA参考电流,此参考源随温度变化的精度为0.2%,或10mV,LT3083 4mV 的最大偏移电压使其输出精度保持于 0.3%以内,LT3083 参考电流精度不是输出电压公差的一个因子,也没有电阻来产生潜在的公差变异。


可数字编程之输出电压

简单地增加一颗 DAC来驱动SET针脚就能数字编程输出电压,图4显示如何用DAC以1.5LSB设定LT3083的输出从 0 到超过16V的任何电压值,在此电路中,LTC2641-12 透过LT1991(被组态为增益4)利用一个4.096V参考电压驱动LT3083的SET针脚。


如前所述,LT3083 的严格规格造就如此绝佳效能,请牢记当工作于最低输出电压时,最低负载电流的要求必须被满足—当工作于低输入电压,小于500µA的负载电流是必须的,其比起传统线性稳压器的5~10mA 小的多。


简单的2-终端电流源

在特定应用条件,电流源非常困难实现,有些必须参考接地,其他必须参考到正电源端,然而最困难的设计是需要浮动、2-终端组件。LT3083 很容易地被组态为2-终端电流源,利用简单地调整外部电阻比例和添加如图5的补偿设计即可,此电流源可参考接地、参考到正电源端或者完全浮动而毫无任何困难。



图六 : 2-终端电流源
图六 : 2-终端电流源

结论

在LT3083方块图所显示的简单架构下,所代表的是一款高效能、多功能、突破性的建构单元组件,LT3083 结合LT3080的前瞻性结构、绝佳AC与DC特性和增加输出电流以解决传统3-终端或低压降稳压器不敢碰触的问题,其可做为电源供应,使工作电压降至0V,并联则可输出高电流与分散热能,或动态驱动。表面黏着板透过高电流线性电源供应目前已能实现,且无损效能。


  • 作者Todd Owen为凌力尔特电源产品资深设计工程师


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