3A 線性穩(wěn)壓器可非常容易地并聯(lián)以分散功耗和熱量

30 多年以來，基本的 3 端子穩(wěn)壓器一直是設(shè)計(jì)師工具箱中的基本構(gòu)件，而且其基本架構(gòu)沒有任何重大改變。運(yùn)用一個(gè)固定電壓基準(zhǔn)，電阻分壓器將輸出電壓提高到所希望的值。這類穩(wěn)壓器是非常容易使用的器件，因此也非常流行，但是這種簡(jiǎn)單架構(gòu)有一些固有的缺點(diǎn)。

使用傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器的缺點(diǎn)之一是，最低輸出電壓受到穩(wěn)壓器基準(zhǔn)電壓的限制。另一個(gè)缺點(diǎn)是，不容易通過并聯(lián)器件來提高可用輸出電流或分散功耗。為了在多個(gè)穩(wěn)壓器之間分配負(fù)載，或者必須增加大的鎮(zhèn)流電阻器，這會(huì)導(dǎo)致負(fù)載調(diào)節(jié)誤差，又或者用由輸入檢測(cè)電阻器和運(yùn)算放大器環(huán)路組成的復(fù)雜電路來平衡負(fù)載，這必然破壞了本來想運(yùn)用看似簡(jiǎn)單的線性穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單性的承諾。

不過，如果去掉電壓基準(zhǔn)，用一個(gè)精確的電流源取而代之，結(jié)果會(huì)怎么樣呢?這樣產(chǎn)生的電路令人難以置信地簡(jiǎn)單，如圖 1 所示的方框圖。一個(gè)精確的電流源連接到放大器的非負(fù)輸入，輸出驅(qū)動(dòng)一個(gè)大的 NPN 傳遞組件，然后再連接至放大器的負(fù)輸入，以提供單位增益。給年資久遠(yuǎn)的線性穩(wěn)壓器器件引入這一小小的改變之后，會(huì)在通用性和性能方面產(chǎn)生巨大的好處。

圖 1：LT3083 方框圖

現(xiàn)在，在這種新架構(gòu)中，若要并聯(lián)穩(wěn)壓器，將每個(gè) SET 引腳連接到一起即可，這為所有誤差放大器提供了一個(gè)共用的基準(zhǔn)點(diǎn)，從而僅用毫歐姆量級(jí)的鎮(zhèn)流電阻器就能平衡任何器件至器件的失調(diào)偏差。突然之間，無論需要多少器件，都可以非常容易地在器件之間分散功耗，類似地，輸出電流也可以按需擴(kuò)大。這種架構(gòu)的美妙之處在于僅用一個(gè)電阻器就能為所有穩(wěn)壓器提供基準(zhǔn)點(diǎn)，無論使用了一個(gè)、10 個(gè)還是 100 個(gè)穩(wěn)壓器。此外，該架構(gòu)允許零電阻等于零輸出，從而不再有固定基準(zhǔn)電壓以限制可用輸出電壓范圍的低端。

新架構(gòu)的好處

LT3080 1.1A 線性穩(wěn)壓器是第一款運(yùn)用精確電流源架構(gòu)的線性穩(wěn)壓器，使它可通過并聯(lián)任何數(shù)量的 LT3080 以產(chǎn)生大電流、表面貼裝電源成為可能。LT3083 與 LT3080 相似，具備類似的高性能規(guī)格，但是輸出電流能力提高為 3A。這種新架構(gòu)具備大量性能優(yōu)勢(shì)。

頻率響應(yīng)和負(fù)載調(diào)節(jié)是固定的

運(yùn)用傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器，當(dāng)通過電阻分壓器改變輸出電壓時(shí)，增益和帶寬會(huì)隨之改變。將穩(wěn)壓器的反饋引腳旁路會(huì)影響環(huán)路響應(yīng)。負(fù)載調(diào)節(jié)幅度不是一個(gè)固定值，不過當(dāng)電阻分壓器累積任何電壓偏差時(shí)，負(fù)載調(diào)節(jié)幅度在輸出中所占百分比是固定的。此外，該電阻分壓器也會(huì)導(dǎo)致累積基準(zhǔn)電壓噪聲。

運(yùn)用電流源和單位增益緩沖器，則可消除這些缺點(diǎn)。既然誤差放大器始終處于單位增益狀態(tài)，那么頻率響應(yīng)就不會(huì)作為輸出電壓的函數(shù)而改變，或者也不會(huì)隨著跨基準(zhǔn)點(diǎn)兩端實(shí)施旁路而改變。負(fù)載調(diào)節(jié)幅度現(xiàn)在是一個(gè)固定值，而不管輸出電壓大小。既然旁路不會(huì)影響環(huán)路響應(yīng)，那么兩個(gè)噪聲源就都消除了：運(yùn)用單個(gè)電容器就可以抑制基準(zhǔn)電流噪聲和電阻器散射噪聲。這樣在輸出端就只剩下誤差放大器噪聲了，而且無論輸出電壓大小，這個(gè)噪聲都保持在固定值上。

頂尖的 DC 特性

LT3083 的 DC 特性與原來的 LT3080 是相同的。LT3083 將 NPN 傳遞器件的集電極分離出來，以最大限度地降低功耗。就誤差放大器而言，負(fù)載調(diào)節(jié)幅度一般低于 1mV，在 50uA 基準(zhǔn)電流時(shí)接近不可計(jì)量。就基準(zhǔn)電流而言，電壓調(diào)節(jié)不到 0.0002%/V，就誤差放大器失調(diào)而言，電壓調(diào)節(jié)的典型值為 2µV/V?；鶞?zhǔn)電流的溫度特性非常出色，在整個(gè)工作節(jié)溫范圍內(nèi)一般保持在 0.2% 以內(nèi)，如圖 2 所示。

圖 2：基準(zhǔn)電流溫度特性

SET PIN CURRENT：SET 引腳電流

TEMPERATURE：溫度

LT3083 還提供了凌力爾特器件眾所周知的各種保護(hù)功能：具有安全工作區(qū)保護(hù)的電流限制功能可避免器件在短路情況下受損;熱限制功能則可在功率耗散過大的情況下使器件處于安全狀態(tài)。

頂尖的 AC 特性

不要認(rèn)為，在努力實(shí)現(xiàn)高 DC 性能的過程中要犧牲 LTC3083 的 AC 特性。LTC3083 的瞬態(tài)響應(yīng)非常出色，輸出電容低至 10uF?？墒褂眯⌒吞沾呻娙萜鞑o需增加 ESR。跨基準(zhǔn)電阻器使用一個(gè)旁路電容器，可提供慢啟動(dòng)功能;輸出電壓跟隨 RC 時(shí)間常數(shù)，而該常數(shù)由 SET 電阻器和旁路電容器設(shè)定。將器件并聯(lián)還可提供噪聲性能方面的優(yōu)勢(shì)。將多個(gè) LT3083 穩(wěn)壓器并聯(lián)，可降低輸出噪聲，這與將 n 個(gè)運(yùn)算放大器并聯(lián)就能以 √n 為系數(shù)降低噪聲是一樣的。

應(yīng)用

LT3083 異常簡(jiǎn)單的架構(gòu)與高性能參數(shù)使其成為一款功能強(qiáng)大的構(gòu)件，其適用范圍并不僅限于基本的線性穩(wěn)壓器。該器件能非常容易地并聯(lián)，以提高輸出電流并分散熱量。主動(dòng)驅(qū)動(dòng) SET 引腳是完全可接受的;低失調(diào)和大的輸出電流允許在大功率級(jí)實(shí)現(xiàn)高度準(zhǔn)確的基準(zhǔn)電源。通過用一個(gè) DAC 驅(qū)動(dòng) SET 引腳，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字可編程電源。沒有很大的困難就能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的電流源。用戶的創(chuàng)造力有多強(qiáng)，該器件的用途就有多廣泛。

將穩(wěn)壓器并聯(lián)以提高電流并分散熱量

圖 3 顯示了怎樣將多個(gè) LT3083 并聯(lián)，以提高輸出電流并分散熱量。請(qǐng)注意，在穩(wěn)壓器之間平衡負(fù)載所需的鎮(zhèn)流器是最小的。僅通過增加更多 LT3083，就有可能產(chǎn)生低噪聲和準(zhǔn)確的大電流表面貼裝電源。功耗在并聯(lián)的穩(wěn)壓器之間均勻分布，不過熱量管理仍然是必要的。由于跨穩(wěn)壓器的壓降低至 0.5V，所以一個(gè) 3A 負(fù)載相當(dāng)于 1.5W 功耗，從而提高了表面貼裝設(shè)計(jì)的熱性能。

圖 3：將多個(gè)穩(wěn)壓器并聯(lián)以實(shí)現(xiàn)更大的電流并分散熱量

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大電流基準(zhǔn)緩沖器

建立一個(gè)大電流基準(zhǔn)緩沖器所需工作非常少，如圖 4 所示。在這個(gè)電路中，連接 LT1019-5 的輸出，以吸收穩(wěn)壓器 50uA 的基準(zhǔn)電流。該基準(zhǔn)在整個(gè)溫度范圍內(nèi)提供 0.2% 的準(zhǔn)確度，或 10mV。由于 LT3083 的最大失調(diào)電壓為 4mV，所以輸出準(zhǔn)確度保持在 0.3% 以內(nèi)。LT3083 基準(zhǔn)電流的準(zhǔn)確度不影響輸出容限，而且不存在導(dǎo)致潛在容限偏差的電阻器。

圖 4：大電流基準(zhǔn)緩沖器

INPUT：輸入

OUTPUT：輸出

*MIN LOAD：最小負(fù)載電流

以數(shù)字方式設(shè)定的輸出

要以數(shù)字方式設(shè)定輸出電壓僅需要增加一個(gè) DAC 以驅(qū)動(dòng) SET 引腳。圖 4 突出顯示了 DAC 怎樣在從零到超過 16V 的范圍內(nèi)于 1.5LSB 以內(nèi)設(shè)定 LT3083 輸出。在這個(gè)電路中， LTC2641-12 運(yùn)用 4.096V 基準(zhǔn)，通過 LT1991 (增益配置為 4 倍) 驅(qū)動(dòng) LT3083 的 SET 引腳。

這仍然是由于 LT3083 嚴(yán)格的規(guī)格，才允許如此卓越的性能。請(qǐng)記住，當(dāng)以最低輸出電壓工作時(shí)，必須滿足最小負(fù)載電流要求。當(dāng)以很低的輸入電壓工作時(shí)，需要不到 500uA 的負(fù)載，這比傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器所需的 5mA 至 10mA 負(fù)載低多了。

易用的兩端子電流源

在某些應(yīng)用中，電流源可能非常難以實(shí)現(xiàn)。有些必須以地為基準(zhǔn)，另一些必須以正軌為基準(zhǔn)，而最難的設(shè)計(jì)則需要浮動(dòng)的兩端子器件。LT3083 非常容易配置為兩端子電流源，只需通過調(diào)節(jié)外部電阻器的比率并增加補(bǔ)償就可以，如圖 5 所示。該電流源可以以地為基準(zhǔn)、以一個(gè)正軌為基準(zhǔn)或完全浮動(dòng)而無需擔(dān)心任何問題。

圖 5：數(shù)字可編程電源

圖 6：兩端子電流源

結(jié)論

在 LT3083 方框圖所示的架構(gòu)看似簡(jiǎn)單，但它的背后卻是一款高性能且高度通用的突破性構(gòu)件器件。LT3083 整合了 LT3080 巨大的架構(gòu)改進(jìn)以及卓越的 AC 和 DC 特性，并增加了電流，因而可以輕松解決傳統(tǒng)型三端或低壓差穩(wěn)壓器無法對(duì)付的問題。該器件可用于工作電壓低至 0V 的電源、通過并聯(lián)以提供較大的輸出電流和分散熱量、或進(jìn)行動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。大電流線性電源如今可用于表面貼裝型電路板，而不會(huì)犧牲性能。