設(shè)計(jì)預(yù)跟蹤穩(wěn)壓器，第 2 部分：用于負(fù)輸出 LDO

1. 前言

隨著電子技術(shù)的提高，以及電子產(chǎn)品的發(fā)展，一些系統(tǒng)中經(jīng)常會(huì)需要負(fù)電壓為其供電。例如，在LCD背光系統(tǒng)中，會(huì)使用負(fù)電壓為其提供門(mén)極驅(qū)動(dòng)和偏置電壓。另外，在系統(tǒng)的運(yùn)算放大器中，也經(jīng)常會(huì)使用正負(fù)對(duì)稱(chēng)的偏置電壓為其供電。如何產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定可靠的負(fù)電壓已成為設(shè)計(jì)人員面臨的關(guān)鍵問(wèn)題。

2.負(fù)輸出 LDO示例

這個(gè)由兩部分組成的系列的第一部分演示了如何為正輸出低壓差穩(wěn)壓器創(chuàng)建跟蹤預(yù)穩(wěn)壓器。在本期文章中，我們將使用類(lèi)似的技術(shù)為負(fù)輸出 LDO 創(chuàng)建跟蹤預(yù)調(diào)節(jié)器。此示例將使用相同的 LMR33630 評(píng)估模塊 (EVM)，但采用與TPS7A3301 LDO結(jié)合的反相降壓-升壓配置。

3.如何為負(fù)輸出 LDO 創(chuàng)建預(yù)跟蹤穩(wěn)壓器

負(fù) LDO 的一個(gè)示例應(yīng)用是為放大器提供負(fù)電壓軌。圖 1 顯示了對(duì) LMR33630 反饋網(wǎng)絡(luò)的修改，以便為負(fù)輸出 LDO 創(chuàng)建預(yù)跟蹤穩(wěn)壓器。

圖1：帶有 LMR33630 和 TPS7A3301 的負(fù)跟蹤預(yù)調(diào)節(jié)器

修改 TPS7A3301 EVM 反饋電阻器會(huì)在 LDO 上生成 -5V 輸出；LDO 輸出電壓連接到 2N3904 N 溝道 P 溝道 N 溝道 (NPN) 晶體管的基極。LMR33630 內(nèi)部參考電壓相對(duì)于 GND 引腳為 1V。因此，LMR33630 的 FB 引腳上的電壓將被調(diào)節(jié)為相對(duì)于器件的 GND 引腳的 1V，該引腳現(xiàn)在是 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的負(fù)輸出。

如圖 1 所示，RFBB 兩端的電壓也等于 1V。這反過(guò)來(lái)會(huì)在 RFBB 中產(chǎn)生一個(gè)參考電流，其值為 IFBB = 1 V/1 kΩ = 1 mA。

然后，該 IFBB 參考電流將被 Q1/Q2 匹配的 P 溝道 N 溝道 P 溝道 (PNP) 晶體管鏡像以生成 Q3 的集電極，該集電極流經(jīng)電阻器 R1（IC ≈ Q3 的 IE）。

當(dāng) IFBB ≈ IR1 ≈ 1 mA 且接近 0.6 V 時(shí)，我們可以將 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的預(yù)期輸出電壓計(jì)算為：

在這種情況下，DC/DC 轉(zhuǎn)換器級(jí)的電壓輸出將比 LDO 的輸出電壓低約 2.1 V。

從計(jì)算中可以看出，可以使用公式 1 來(lái)近似計(jì)算 LDO 輸入和輸出之間的電壓差：

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們必須確保 DC/DC 轉(zhuǎn)換器提供足夠的負(fù)電壓來(lái)啟動(dòng) LDO。為 R1 電阻選擇合適的值可以控制該電壓。

在此示例中，TPS7A3301 具有 -2 V 的典型欠壓鎖定。當(dāng) LDO 仍處于關(guān)閉狀態(tài)且施加 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸入時(shí)，LMR33630 的輸出將開(kāi)始變?yōu)樨?fù)，而 LDO 的輸出仍為 0 V。

流入圖 1 中 Q2 的初始電流約為 1 mA (1 V/1 kΩ)。在初始啟動(dòng)期間，也如圖 2 所示，V OUT DC/DC 電壓為：

如我們所見(jiàn)，我們必須選擇合適的電阻 R1 值以產(chǎn)生足夠的電壓來(lái)啟動(dòng)用戶(hù)在其應(yīng)用中選擇的 LDO。

圖2：LMR33630 和 TPS7A3301 的初始啟動(dòng)電壓

圖 3 和圖 4 說(shuō)明了示例負(fù)跟蹤預(yù)調(diào)節(jié)器電路的啟動(dòng)和關(guān)閉波形。

圖3：DC/DC 轉(zhuǎn)換器上 12V 輸入的啟動(dòng)波形（CH1 = VIN，CH2 = VOUTLDO，CH3 = VOUTDCDC，CH4 = IOUTLDO）

圖4：DC/DC 轉(zhuǎn)換器上 12V 輸入的放大啟動(dòng)波形（CH1 = VIN，CH2 = VOUTLDO，CH3 = VOUTDCDC，CH4 = IOUTLDO）

在圖 3 和圖 4 中，DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸出比 LDO 低 1.925 V。計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值之間存在微小差異（1.925 V vs. 2.1 V）；這是由于 PNP 對(duì)中的匹配電流。與離散類(lèi)型相比，具有共同封裝的 PNP 可以改善這種匹配，但兩者之間的電流會(huì)存在小的差異。改進(jìn)匹配的一種方法是制作威爾遜電流鏡以生成參考電流.

圖 5 至圖 8 是圖 2 所示電路關(guān)斷性能的一些范圍捕獲。圖 9 顯示了修改后的 LMR33630EVM 和 TPS7A3301EVM PCB 板，以實(shí)現(xiàn)跟蹤功能。

圖 5：DC/DC 轉(zhuǎn)換器上 12V 輸入的關(guān)斷波形（CH1 = VIN，CH2 = VOUTLDO，CH3 = VOUTDCDC，CH4 = IOUTLDO）

圖 6：DC/DC 轉(zhuǎn)換器上 12V 輸入的放大關(guān)斷波形（CH1 = VIN，CH2 = VOUTLDO，CH3 = VOUTDCDC，CH4 = IOUTLDO）

圖 7：具有 200mA 階躍負(fù)載的 LDO 輸出端的負(fù)載瞬態(tài)波形（CH1 = VIN，CH2 = VOUTLDO [交流耦合]，CH3 = VOUTDCDC [交流耦合]，CH4 = IOUTLDO）

圖 8：具有 500mA 階躍負(fù)載的 LDO 輸出端的負(fù)載瞬態(tài)波形（CH1 = VIN，CH2 = VOUTLDO [交流耦合]，CH3 = VOUTDCDC [交流耦合]，CH4 = IOUTLDO）

圖 9：負(fù)跟蹤預(yù)調(diào)節(jié)器的電路板圖片

當(dāng)我們設(shè)計(jì)需要 LDO 作為負(fù)載點(diǎn)電源的產(chǎn)品時(shí)，與正跟蹤預(yù)調(diào)節(jié)器一起使用時(shí)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)電路都可以提高我們的系統(tǒng)效率。