如何選擇抗輻射的低壓降穩(wěn)壓器 (LDO)

1.前言

抗輻射低壓降穩(wěn)壓器 (LDO) 是許多航天級(jí)子系統(tǒng)的重要電源組件，包括現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和模擬電路。LDO 有助于確保為性能取決于干凈輸入的組件提供穩(wěn)定、低噪聲和低紋波的電源。

但是，市場(chǎng)上有如此多的 LDO，我們如何為我們的子系統(tǒng)選擇合適的抗輻射器件？讓我們看看一些設(shè)計(jì)規(guī)范和設(shè)備功能，以幫助我們做出這個(gè)決定。

2.航天級(jí) LDO 的壓差

LDO 的壓差是輸入和輸出電壓之間的電壓差，此時(shí) LDO 停止調(diào)節(jié)輸出電壓。壓差規(guī)格越小，工作電壓差越小，能夠運(yùn)行的電壓差越低，從而導(dǎo)致功耗和熱耗散更少，以及固有的更高的最大效率。這些好處在更高的電流下變得更加顯著，如公式 1 所示：

LDO 功耗 = (V IN -V OUT )xI OUT                  (1)

在抗輻射市場(chǎng)中，很難找到真正的低壓差穩(wěn)壓器，能夠在輻射、溫度和老化方面提供強(qiáng)大的性能。

TI 的抗輻射 LDO TPS7H1101A-SP就是一個(gè)例子，它在 3 A 時(shí)提供 210 mV 的典型壓差 (Vdo) – 目前是市場(chǎng)上最低的。如果您有可用的標(biāo)準(zhǔn) 5V、3.3V、2.5V 或 1.8V 電源軌，該 LDO 可以將輸出電壓調(diào)節(jié)低至 0.8V 以提供任何所需的電壓，以及一個(gè)或多個(gè)空間所需的電流級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 或時(shí)鐘。

3.空間 LDO 的噪聲性能

隨著衛(wèi)星在太空中運(yùn)行 10 年或更長(zhǎng)時(shí)間，從機(jī)載集成電路中獲得最大性能有助于確保設(shè)計(jì)壽命。為了為高性能時(shí)鐘、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號(hào)處理器或模擬組件提供干凈、低噪聲的電源軌，LDO 電路產(chǎn)生的內(nèi)部噪聲需要最小化。

由于內(nèi)部產(chǎn)生的 1/f 噪聲不容易過(guò)濾，因此應(yīng)尋找具有固有低噪聲特性的 LDO。低頻噪聲通常是最大的，也是最難濾除的。TPS7H1101A-SP 提供最低的 1/f 噪聲水平之一，在 10 Hz 時(shí)峰值約為 1 μV/ √ Hz。有關(guān)頻率范圍內(nèi)的 RMS 噪聲，請(qǐng)參見(jiàn)下面的圖 1。

圖 1：TPS7H1101A-SP 噪聲

4.空間 LDO 的 PSRR

電源抑制比 (PSRR) 衡量 LDO 清除或抑制來(lái)自上游其他組件的傳入噪聲的能力。對(duì)于高端 ADC，輸入電源噪聲要求不斷提高，以最大限度地減少誤碼。在較高頻率下，鑒于控制環(huán)路的特性，很難獲得高 PSRR。

通常，設(shè)計(jì)人員需要使用外部組件來(lái)過(guò)濾噪聲以達(dá)到可接受的有效 PSRR，這會(huì)增加解決方案的尺寸——這對(duì)于空間應(yīng)用來(lái)說(shuō)是一個(gè)明顯的問(wèn)題，因?yàn)榭臻g應(yīng)用的尺寸和重量與衛(wèi)星發(fā)射成本直接相關(guān)。

PSRR 在上游電源的開(kāi)關(guān)頻率下最為重要（因?yàn)樵谠擃l率下存在電壓紋波）。此外，由于開(kāi)關(guān)諧波，高于此頻率的 PSRR 很重要。如果您正在尋找良好的 PSRR，TPS7A4501-SP LDO 在 100 kHz 下提供超過(guò) 45 dB 的 PSRR。

5.其他重要的 LDO 特性

除了壓差、PSRR 和噪聲之外，讓我們看看幾個(gè)可以成為抗輻射 LDO 性能不可或缺的智能特性。

使能夠。在太空中，太陽(yáng)能電池板只能提供一定數(shù)量的電力，許多功能需要從中運(yùn)行。啟用功能允許您在任何給定時(shí)間指定 LDO 是打開(kāi)還是關(guān)閉，并且證明對(duì)于整體節(jié)省功率預(yù)算至關(guān)重要。使能引腳對(duì)于上電排序也很重要，這在新一代 FPGA 中的需求越來(lái)越大。

慢啟動(dòng)。電壓上升過(guò)快會(huì)導(dǎo)致電流過(guò)沖或過(guò)大的峰值浪涌電流，從而損壞 FPGA 或 ADC 等下游組件。軟啟動(dòng)功能可調(diào)節(jié)啟動(dòng)時(shí)輸出電壓上升的速度。軟啟動(dòng)還通過(guò)防止上游電源產(chǎn)生過(guò)電流來(lái)防止出現(xiàn)不可接受的電壓下降。

輸出電壓精度。通常，賽靈思 KU060 等較新的航天級(jí) FPGA 對(duì)每個(gè)電源軌都有嚴(yán)格的輸入電壓容差要求，以實(shí)現(xiàn)最佳性能。為了確保您的設(shè)計(jì)滿足輻射暴露和結(jié)束時(shí)的生活條件，看起來(lái)像設(shè)備嚴(yán)格的精度要求TPS7H1101A-SP，這是對(duì)KU060開(kāi)發(fā)板。

尺寸。除了采用易于布局的小型封裝外，減小解決方案尺寸的其他方法包括限制 LDO 的外部組件數(shù)量；具有更多集成功能、更好的 PSRR 和噪聲規(guī)格；和更可靠的單事件效應(yīng)下的輻射性能。TI 的TPS7A4501-SP是業(yè)界最小的抗輻射 LDO 之一，無(wú)論是在封裝尺寸、布局還是解決方案尺寸方面。

6.結(jié)論

有這么多選項(xiàng)可供選擇，選擇合適的 LDO 可能很困難?？紤]哪些功能和特性最重要。例如，如果我們的應(yīng)用為高端 FPGA 或高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器供電，則輸出電壓精度、參考精度、PSRR 和噪聲等特性可能是優(yōu)先考慮的因素。但是，如果我們正在設(shè)計(jì)低性能模擬電路或使用容差要求不那么嚴(yán)格的舊 FPGA，那么擁有尺寸最小、成本最低的解決方案，同時(shí)保留足夠好的功能可能是更好的選擇。