新型線性穩(wěn)壓器解決了老問題

穩(wěn)壓器可調(diào)節(jié)電壓，但還能做很多其他的事情。自 1976 年三端浮動穩(wěn)壓器問世以來，線性穩(wěn)壓器的架構(gòu)幾乎就沒有改變過。穩(wěn)壓器要么是一種浮動架構(gòu) (LT317)，要么就是一種具有從輸出至放大器之反饋的放大器環(huán)路。這兩種架構(gòu)在通用性、調(diào)節(jié)性能和準確度方面存在局限性。

反饋電阻器負責設(shè)定輸出電壓并對進入放大器的反饋信號進行衰減。因此，輸出端上的穩(wěn)壓是輸出電壓的一個百分數(shù)，于是，雖然百分數(shù)值上可能是相同，但較高輸出電壓的穩(wěn)壓 (單位：V) 卻較差。而且，穩(wěn)壓器的帶寬也會隨著電壓的變化而改變。由于環(huán)路增益下降，因此在較高的輸出電壓條件下帶寬也將減小。當輸出電壓升高時，這會減緩瞬態(tài)響應(yīng)速度并使紋波性能變差。

老式穩(wěn)壓器固定了電流限值，沒有調(diào)節(jié)的余地。其內(nèi)置于 IC 之中，對于不同的輸出電流必須采用不同的器件。所以，如果電流限值必需與應(yīng)用相匹配或需要準確的電流限值，就必須使用一個外部電路。圖 1a 示出了老式穩(wěn)壓器的基本架構(gòu)。

2007 年，在 LT3080 中引入了一種新型架構(gòu)。該器件采用一個電流源作為基準，并使用一個電壓跟隨器作為輸出放大器。這種架構(gòu)的兩個優(yōu)勢是：可并聯(lián)多個穩(wěn)壓器以提供更高的輸出電 流;穩(wěn)壓器能在輸出電壓低至零的條件下運作。由于輸出放大器始終以單位增益工作，因此帶寬是恒定的，穩(wěn)壓也是恒定的。瞬態(tài)響應(yīng)與輸出電壓無關(guān)，而且可采用 mV (而不是輸出的一個百分數(shù)) 來規(guī)定穩(wěn)壓。圖 1b 示出了新型穩(wěn)壓器架構(gòu)。

圖 1a：老式穩(wěn)壓器

圖 1b：新型架構(gòu)穩(wěn)壓器

表 1 羅列了新型穩(wěn)壓器及其主要特性。伴隨著不同的輸出電流，這些穩(wěn)壓器進行了特別的設(shè)計，以在現(xiàn)有的穩(wěn)壓器中增添以前無法提供的功能特性。包括了用于溫度和電流的監(jiān)視器輸出以及電流限值的外部控制。有一款器件 (LT3086) 還具備熱停機的外部控制能力。一種新型負穩(wěn)壓器提供了監(jiān)視功能，并能充當一個浮動穩(wěn)壓器或 LDO。所有這些新型穩(wěn)壓器均可通過并聯(lián)以提供較高的電流、均流和散熱。

一款新型工業(yè)穩(wěn)壓器

LT3081 是一款具有寬安全工作區(qū)的工業(yè)穩(wěn)壓器。其能提供 1.5A 輸出電流、輸出電壓可調(diào)節(jié)至零、具備反向保護功能并擁有用于溫度和輸出電流的監(jiān)視器輸出。此外，還可通過連接一個外部電阻器至該器件來調(diào)節(jié)電流限值。圖 2 示出了 LT3081 的基本連接。

圖 2：采用 LT3081 的基本穩(wěn)壓器

溫度和電流監(jiān)視器輸出采用電流源配置，以在 VOUT + 0.4V 至 VOUT – 40V 的范圍內(nèi)運作。溫度輸出為 1μA/°C，而電流監(jiān)視器輸出為 IOUT/5000。這些電流源是通過將一個電阻器與電流源串聯(lián)接地并在電阻器兩端讀取參數(shù)進行測量的。電流源具有一個 -40V 至 0.4V (參考于輸出) 的范圍，而且即使在輸出短路的情況下其仍將繼續(xù)工作。監(jiān)視器輸出的動態(tài)范圍比輸出高 400mV，因此當輸出短路或被設(shè)定為零時，仍然能夠測量溫度和電流。采用一個 1k 電阻器可提供足夠的裕量，并在輸出短路時確保操作的正常進行。[!--empirenews.page--]

輸出利用一個連接在 SET 引腳和地之間的電阻器和一個 50μA 精準電流源來設(shè)定。內(nèi)部跟蹤放大器強制輸出電壓與 SET 引腳電壓相等。LT3081 的獨特之處在于輸出電容器是可任選的。穩(wěn)壓器可在采用或未采用輸入和輸出電容器的情況下實現(xiàn)穩(wěn)定。所有的內(nèi)部工作電流都流過輸出引腳，并需要最小負載以保持調(diào)節(jié)作用。這里，在所有的輸出電壓下均需要一個 5mA 的負載，以把器件保持于全面調(diào)節(jié)狀態(tài)。

設(shè)定電阻器會增加系統(tǒng)溫度漂移。市售的表面貼裝電阻器具有各種各樣的溫度系數(shù)。視制造商的不同，這些溫度系數(shù)低的在 100ppm，高的則超過 500ppm。雖然電阻器不會因為穩(wěn)壓器中的功率耗散而被加熱，但是在很寬的環(huán)境溫度范圍內(nèi)其溫度系數(shù)則會使輸出產(chǎn)生 1% 至 4% 的變化。對于高精度應(yīng)用，可使用具較低溫度系數(shù)的薄膜電阻器。

采用內(nèi)部的真正電流源作為基準 (而不像先前的穩(wěn)壓器那樣采用自舉基準) 的好處并不是那么明顯的。真正的基準電流源可使穩(wěn)壓器具有與正輸入端上的阻抗無關(guān)的增益和頻率響應(yīng)。就此前推出的所有可調(diào)穩(wěn)壓器 (例如：LT1086) 而言，其環(huán)路增益和帶寬都會隨著輸出電壓的變化而改變。假如調(diào)節(jié)引腳被旁路至地，那么帶寬也會發(fā)生變化。對于 LT3081 來說，環(huán)路增益不會因輸出電壓的變化或者調(diào)節(jié)引腳的旁路而改變。輸出穩(wěn)壓不是輸出電壓的一個固定百分數(shù)，而是一個固定的 mV 數(shù)值。使用一個真正的電流源可允許緩沖放大器中的所有增益提供穩(wěn)壓，而且將基準放大至一個較高的輸出電壓不需要其中的任何增益。

工業(yè)應(yīng)用需要很大的安全工作區(qū)。安全工作區(qū)反映的是在輸入-輸出電壓差很高的情況下傳輸大電流的能力。圖 3 比較了幾個穩(wěn)壓器的安全工作區(qū)。上世紀 80 年代中期推出的 LT1086 是一款 1.5A 穩(wěn)壓器，當輸入 / 輸出電壓差高于 20V 時其輸出電流將降至非常低的水平。在輸入 / 輸出電壓差高于 20V 的情況下，只能提供大約 100mA 的輸出電流。倘若負載電流高于 100mA，則這會導(dǎo)致輸出電壓變至未調(diào)節(jié)狀態(tài)，而且輸入端上的瞬變將致使高電壓電流限值被超過。LT1963A 是一款低壓差穩(wěn)壓器，其同樣具有一個有限的安全工作區(qū)。LT3081 擴展了安全工作區(qū)，在電壓差為 25V 的情況下可提供約 1A 的輸出電流。即使輸入 / 輸出電壓差高于 25V，可用的輸出電流仍然達到 500mA。這允許穩(wěn)壓器在那些操作期間有可能施加寬變化范圍輸入電壓的應(yīng)用中使用。給 PNP 傳輸器件采用一種大型結(jié)構(gòu)可獲得寬的安全工作區(qū)。另外，還為 LT3081 (以及負載) 提供了針對反向輸入電壓的保護。

圖 3：安全工作區(qū)性能的比較

圖 4 示出了 LT3081 的方框圖。有三個電流源，其中的兩個負責報告輸出電流和溫度。第三個電流源則用于提供 50μA 基準電流。LT3081 雖然并非低壓差穩(wěn)壓器，但可在器件兩端電壓低至 1.2V 的情況下運作，該性能略優(yōu)于諸如 LT1086 等老款器件。內(nèi)部放大器配置與經(jīng)過良好調(diào)節(jié)的內(nèi)部偏置電源相結(jié)合，使得器件可在未采用外部電容器時實現(xiàn)穩(wěn)定。一項告誡：其無法以容許輸入和負載中所有可能 的阻抗為目標進行設(shè)計，因此重要的是在實際使用的系統(tǒng)中測試穩(wěn)定性。如果發(fā)現(xiàn)存在不穩(wěn)定性，則布設(shè)外部電容器可確保器件在所有輸出電流條件下均保持穩(wěn)定。 另外，外部電容器還能改善瞬態(tài)響應(yīng)，因為其不再受限于內(nèi)部放大器的帶寬。

圖 4：LT3081 的方框圖

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對于此類新型電流源基準穩(wěn)壓器而言，器件的并聯(lián)是很容易的，而對于過去的穩(wěn)壓器來說這種做法則是不允許的，因為它們不能均流。器件并聯(lián)適用于增加輸出電流或散熱。由于其被配置為一個電壓跟隨器，因此把所有的 SET 引腳連接在一起可使輸出具有相同的電壓。如果輸出處于相同的電壓，則只需采用幾 mΩ 的鎮(zhèn)流器即可對這些器件進行鎮(zhèn)流，并使它們能夠均流。

圖 5 示出了 LT3081 的失調(diào)電壓分布情況。分布全部位于 1mV 之內(nèi)以確保均流準確度達 10%;采用 10mΩ 的鎮(zhèn)流電阻便綽綽有余了。鎮(zhèn)流電阻器可以是 PC 板上長度不到 1 英寸的印制線，或者是一小段導(dǎo)線，并利用并聯(lián)器件提供了優(yōu)良的電流匹配。即使在 1V 輸出下，由此造成的穩(wěn)壓性能下降也僅有 1.5% 左右。表 2 列出了 PC 板電阻。

圖 5：失調(diào)電壓

走線電阻以 mΩ/英寸為單位來表示。

圖 6 示出了通過并聯(lián)兩個 LT3081 以獲得 3A 輸出的電路原理圖。此時，設(shè)定電阻器中流過的設(shè)定電流增加了 x2，因此輸出為 100μA x RSET，而且 10mΩ 的鎮(zhèn)流電阻器可在滿電流時確保鎮(zhèn)流作用?？梢酝ㄟ^并聯(lián)任意數(shù)目的器件來提供更高的電流?？砂?ILIM 引腳并聯(lián)起來 (如果采用的話)，因此一個電阻器設(shè)定了電流限值。

圖 6：將器件并聯(lián)

圖 7 示出了將 LT3081 與一個固定穩(wěn)壓器相并聯(lián)的情形。當系統(tǒng)的可用輸出電流設(shè)計值不足時，這種做法很有用。它提供了一種增加輸出電流的應(yīng)急方法。分壓器僅使固定器件的輸出電壓下降幾個 mV。LT3081 的 SET 引腳連接至比固定輸出低大約 4mV 的電壓。這可確保在無負載情況下不會有電流從 LT3081 流出。此外，20mΩ 的電阻器提供了用于克服該失調(diào)的充分鎮(zhèn)流，并在較高的輸出電流條件下確保了電流匹配。

圖 7：增加固定穩(wěn)壓器的輸出電流

當布設(shè)了用于生成基準電壓的 50μA 電流源時，位于該電流源和 SET 引腳之間的漏電路徑會在基準和輸出電壓中產(chǎn)生誤差。需要對所有的絕緣表面進行清潔以去除焊劑和其他殘留物。表面涂層也許是必不可少的，用于在高濕度環(huán)境中提供一個防潮層。通過采用一個連接至 OUT 引腳的保護環(huán)將 SET 引腳和電路圍繞起來，可最大限度地減少電路板漏電。另外，按圖所示增大 SET 電流也可降低寄生漏電的影響。

在某些應(yīng)用中，50μA 的低 SET 電流會引起問題。高阻值薄膜電位器的穩(wěn)定性不如阻值較低的線繞電位器。電路板漏電也會在輸出中引起不穩(wěn)定。通過把 SET 電流增加至高于 50μA 的標稱值，可盡量減少問題的發(fā)生。圖 8 示出了一款采用較低阻值設(shè)定電阻器的解決方案。這里，通過 R2 產(chǎn)生了一個增大的電流并與 SET 引腳電流相加，從而提供一個用于調(diào)節(jié)輸出的大得多之電流。SET 電流流經(jīng)一個 4k 電阻器，在 R1 的兩端產(chǎn)生 200mV。接著，流過 R2 的電流加入 SET 引腳電流，提供了一個流經(jīng) ISET 至地的 1.05mA 總電流。這降低了電壓對于 REST 周圍漏電流的敏感性。應(yīng)謹慎地以開爾文 (Kelvin) 方式將 R2 直接連接至輸出。從輸出至 R2 的電壓降將影響穩(wěn)壓。另一種配置將 LT3092 用作一個 1mA 的外部電流源。這提供了增大的 SET 電流，并允許把輸出調(diào)低至零。[!--empirenews.page--]

圖 8：采用一個阻值較低的設(shè)定電阻器

圖 9 示出了采用一個 LT3092 電流源來給 LT3081 提供電流基準的情形。生成的 1mA 基準電流允許調(diào)節(jié)設(shè)定電阻器的阻值大幅降低，同時仍然可將器件的輸出調(diào)低至零。

圖 9：采用一個外部基準電路

如圖 10 所示，可采用電流監(jiān)視器輸出來補償線路壓降。通過設(shè)定電阻器的一部分向電流監(jiān)視器饋電可在 SET 引腳上產(chǎn)生一個電壓，該引腳提升電壓的幅度與電流之間存在某種函數(shù)關(guān)系。補償電阻器的阻值為 R2 = 5000 • RCABLE(TOTAL) 和 VOUT = 50μA (RSET + RCOMP)。運用這種方式可以補償幾 V 的線路壓降。

圖 10：采用電流監(jiān)視器輸出來補償線路壓降

結(jié)論

與先前的器件相比，新型穩(wěn)壓器針對負載和電壓變化提供的調(diào)節(jié)性能提升了一個數(shù)量級。穩(wěn)壓規(guī)格指標以及瞬態(tài)響應(yīng)不會隨輸出而改變。此類器件中的新功能 提供了溫度和電流監(jiān)視，以及可調(diào)的電流限制。多個器件的并聯(lián)不再需要外部電流平衡電路，以避免發(fā)生電流擾亂。伴隨著這些改進，器件的堅固性也有所提高。

新型穩(wěn)壓器可實現(xiàn)新的應(yīng)用。器件的并聯(lián)輕而易舉，而且可補償線路壓降。電流限值門限如今由用戶定義，而且輸出可調(diào)節(jié)至零。擴大了穩(wěn)壓器的安全工作區(qū)，以在輸入擺幅較寬的情況下運作。