通過主動輸出放電功能來保護敏感和昂貴的負載

背景信息

線性穩(wěn)壓器普遍用于很多現(xiàn)代電子系統(tǒng)中。盡管低壓差 (LDO) 線性穩(wěn)壓器極少成為最昂貴的系統(tǒng)組件，但是從成本/效益角度來看，這種穩(wěn)壓器卻常常是最有價值的組件之一。LDO 的其中一個任務是保護下游負載，避免因嚴酷的環(huán)境條件而損壞，例如因溫度偏移、電壓瞬態(tài)、電源噪聲、電壓反向、電流浪涌以及 EMI 或 ESD 而被損壞。簡言之，其設計必須堅固可靠，并包含減輕環(huán)境影響所需的所有保護功能，同時保護負載。很多低成本 LDO 線性穩(wěn)壓器不包含必要的保護功能，因此無法起到保護作用，常常不僅引起穩(wěn)壓器損壞，還導致負載受損。

對于需要保護昂貴和敏感的負載而言，圖像傳感器系統(tǒng)就是一種典型的例子。圖像傳感器通常包含尖端、昂貴的數字 IC，這些 IC 獲取圖像，并將其直接轉換成數字圖像。兩種最流行的圖像傳感器是電荷耦合器件 (CCD) 和 CMOS 成像儀。諸如內窺鏡、安防攝像頭等各種設備都包含圖像傳感器。

有些應用要求在通電和斷電時控制電源周期。在多軌系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA、ASIC、DSP、微處理器以及其他數字 IC 要求多個電壓軌必須以特定順序啟動和關斷。否則，這些 IC 就有可能損壞，或者系統(tǒng)的加電復位邏輯可能出現(xiàn)訛誤。如果沒有正確排序，就可能產生災難性后果。對于必須控制輸出狀態(tài)的系統(tǒng)而言，如軍事、航空電子或航天等高可靠性系統(tǒng)都是非常典型的例子，尤其是如果需要電源電壓不斷循環(huán)接通和斷開時。

LDO 可以運用主動輸出放電功能來滿足系統(tǒng)的斷電要求，主動輸出放電功能可使 LDO 的輸出快速地放電，而不必依靠 LDO 的負載或 LDO 的電阻分壓器給輸出放電。如果去掉輸入電壓，或者如果啟動關斷功能，那么具主動輸出放電功能的 LDO 可以由一個 NMOS 開關快速拉低輸出電壓。具主動輸出放電功能的器件之主要優(yōu)勢是，斷電時，輸出處于已知狀態(tài)。無論負載狀態(tài)如何，這類器件的輸出始終按照預期快速放電。就關斷時要求準確電源排序的應用 (例如: 圖像傳感器和微控制器) 而言，，能夠主動輸出放電是很重要。

低壓差線性穩(wěn)壓器 (LDO) 與其他穩(wěn)壓器的比較

低壓降壓型轉換和穩(wěn)壓可以通過多種方法實現(xiàn)。開關穩(wěn)壓器在很寬的電壓范圍內以高效率運行，但需要磁性組件和電容器才能工作，因此占用的電路板空間相對較大。充電泵 (或開關電容器電壓轉換器) 可用來實現(xiàn)更低壓的轉換，但是輸出電流能力受限，而且需要外部電容器才能工作和穩(wěn)定。低壓差線性穩(wěn)壓器通常效率較低，但產生的噪聲也較小，而且更易于用來實現(xiàn)降壓型應用。不過，現(xiàn)代設計方法和芯片制造工藝已經使低壓差線性穩(wěn)壓器 (LDO) 能夠進一步深入降壓型應用領域了。現(xiàn)在，低壓差線性穩(wěn)壓器具備超快瞬態(tài)響應、低壓差電壓、低壓運行 (輸出通常低至 0.6V)、大輸出電流能力，以及能夠用單電源工作。

目前一代快速、大電流、低壓數字 IC (例如: FPGA、DSP、CPU 和 ASIC) 對于給內核及 I/O 通道供電的電源要求很嚴格。不過，從供電角度考慮，這些數字 IC 不夠穩(wěn)定。傳統(tǒng)上，一直用高效率開關穩(wěn)壓器給這類器件供電，但是開關穩(wěn)壓器可能有潛在的噪聲干擾問題以及瞬態(tài)響應和布局限制。因此， LDO作為可以選擇的器件，在這類應用以及其他低壓轉換系統(tǒng)中，正在找到用武之地。由于最近的產品創(chuàng)新和功能增強，趨勢正在改變，新的 LDO 幾乎不需要在性能上做出折中。

LDO 設計挑戰(zhàn)

大量工業(yè)標準線性穩(wěn)壓器用單個電壓源以低壓差運行，但是大多數穩(wěn)壓器不能同時提供電壓和輸出噪聲非常低的轉換 (輸出低至 0.6V)、很寬的輸入 / 輸出電壓范圍和廣泛的保護功能。PMOS LDO 能夠用單個電源以低壓差運行，但是受到通路晶體管 VGS 特性的限制，輸入電壓不能很低。基于 NMOS 的器件提供快速瞬態(tài)響應，但是需要兩個電源來偏置該器件。NPN 穩(wěn)壓器提供很寬的輸入和輸出電壓范圍，但是需要兩路電源電壓或較大的壓差。相比之下，PNP 穩(wěn)壓器如果架構設計得當，可以用單個電源實現(xiàn)很低的壓差、很高的輸入電壓、低噪聲和低壓轉換，而且能夠提供可靠的保護。

隨著工藝技術節(jié)點的不斷縮小，現(xiàn)代數字 IC 需要以更低的電壓運行。就很多現(xiàn)有輸入電壓軌而言，以較大電流和更低的輸出電壓運行意味著，從線性穩(wěn)壓器的功耗會增大。增加的功耗直接轉換成了熱量。因此，需要采用最新封裝方法，以最大限度減少穩(wěn)壓器內部的溫度上升，并限制應用的熱量問題。此外，能夠以低壓差運行的線性穩(wěn)壓器 (最大限度減小輸入和輸出電壓之差，同時穩(wěn)壓器保持對輸出的調節(jié)和穩(wěn)定性) 可降低功耗，因此減輕了熱量問題。

還有兩項挑戰(zhàn)是，需要高的電源紋波抑制比 (PSRR) 和低的輸出電壓噪聲。具高的電源紋波抑制比的器件很容易濾除和抑制來自輸入的噪聲，產生干凈、穩(wěn)定的輸出。此外，在很寬的帶寬上輸出電壓噪聲很低的器件對現(xiàn)今的電壓軌是有益的，因為對現(xiàn)代電壓軌而言，噪聲敏感性是需要考慮的因素。大電流、低輸出電壓噪聲顯然是必要的性能要求。

有些工業(yè) LDO 提供主動輸出放電功能，以保護負載。不過，現(xiàn)有解決方案僅在器件關斷時啟動。到現(xiàn)在為止，還很難找到有“雙重”作用以主動輸出放電的電路設計，即是當輸入電壓被拉低時也可啟動該功能。

一種新的單電源線性穩(wěn)壓器

顯然，一個主動輸出放電的 LDO 應該具備以下特性：

• 用單電源運行 (以易于使用)

• 快速瞬態(tài)響應時間

• 在很寬的輸入 / 輸出電壓范圍內工作

• 能夠提供很大的輸出電流

• 低輸出噪聲

• 以非常低的壓差運行

• 出色的熱性能

• 在很寬的頻率范圍內有高的 PSRR

• 主動輸出放電的電路具完整的雙重作用 ─ SHDN 或 V_IN 被拉低時都有效

幸運的是，凌力爾特公司最近推出了具主動輸出放電功能的 500mA LT3066 低壓差線性穩(wěn)壓器，該器件具備上述所有必要的屬性。有些應用要求，關斷時輸出狀態(tài)是已知的，LT3066 的設計滿足這種要求。其輸出始終按照預期快速放電，而不論負載處于什么狀態(tài)。

LT3066 是一款高壓、低噪聲、低壓差電壓線性穩(wěn)壓器，提供精準、可編程的電流限制，主動放電，一個電源良好標記，以及更好的電源抑制比 (PSRR)。該器件提供高達 500mA 輸出電流，滿負載時壓差電壓為 300mV。LT3066 包含一個內部高壓 NMOS 下拉電路，以在 SHDN 引腳被拉低或輸入電壓被斷開時給輸出電壓放電。對于啟動和停機時需要電源調節(jié)的應用 (例如: 高端成像傳感器或微控制器)，這種快速主動輸出放電功能有助于保護負載。

LT3066 具很寬的 1.8V 至 45V 輸入電壓范圍，輸出電壓在 0.6V 至 19V 范圍內可調。單個 REF/BYP 引腳電容器提供軟啟動功能，使該器件能夠在 10Hz 至 100kHz 帶寬內以僅為 25µV_RMS 的低噪聲運行。輸出電壓容限隨電壓、負載和溫度變化為高度準確的 ±2%。另一個 INFILT 引腳電容器在 20kHz 至 1MHz 頻率范圍內，將 PSRR 改進 15dB 至 30dB，而在 1MHz 時 PSRR 達到了 60dB。

LT3066 采用小型、低成本、最低 3.3µF 的陶瓷輸出電容器工作。該器件的 PWRGD 標記指示輸出處于穩(wěn)定狀態(tài)。LT3066 用一個電阻器精確設定外部電流限制 (在整個溫度范圍內為 ±10%)。此外，LT3066 的內部保護電路包括電池反向保護、電流反向保護、折返電流限制和過熱限制。主動放電電路提供安全工作區(qū) (SOA) 折返功能，以保護下拉 NMOS，使 OUT 電壓高于 6V，并提供范圍很寬的 OUT 引腳絕對最大額定值：-1V 至 +20V。如圖 1 所示，該器件具很寬的輸入和輸出電壓范圍、快速瞬態(tài)響應以及 64µA (工作時) 和 <3µA (停機時) 的低靜態(tài)電流，因此成為工業(yè)電源、航空電子系統(tǒng)電源、汽車電源、需要最佳運行時間的電池供電型系統(tǒng)及儀器、以及需要提供廣泛保護的高可靠性電源之出色選擇。

圖 1：LT3066 典型應用原理圖及其功能

圖 2 顯示，具備主動輸出放電功能的 500mA LT3066 與類似的 LT3065 (500mA，沒有主動輸出放電功能) 相比的優(yōu)勢。

圖 2：具備主動輸出放電功能的 LT3066 與 LT3065 的比較

LT3065 有一個 10mA 負載，LT3066 僅由設定輸出電壓 (本例中為 10μA) 的電阻器分壓器加載。即使給 LT3066 的輸出加上了很輕的負載，由于該器件提供主動輸出放電功能，所以輸出電壓也會快速放電。相比之下，LT3065 的輸出電容器僅由連至其上的 10mA 負載放電，放電速度慢得多。

就高于 7V 左右的輸出電壓而言，LT3066 實施主動輸出放電折返，因此，用來主動輸出放電的晶體管之驅動降低了，這可限制該器件消耗的功率。由于產生了折返，所以在示波器顯示屏上看到，LT3066 的 12V 波形從 12V 到 7V 的放電速度不那么快。在輸出電壓很高和使用大型電容器時，或者萬一發(fā)生故障，使輸出短路至很高的電壓時，這樣的放電速度可以保護 LT3066 免于損壞。

具備主動輸出放電功能的器件之主要優(yōu)勢是，器件關斷時，輸出處于設定的已知狀態(tài)。輸出始終按照預期快速放電，而無論負載處于什么狀態(tài)。對停機時要求精準電源排序的應用而言，這種特性很重要。

PSRR 性能的改進

與 LT306x 系列中的其他器件相比，LT3066 通過 INFILT 引腳提高了 PSRR 性能。INFILT 引腳是一個單獨的輸入引腳，為誤差放大器和基準供電。這個引腳通過內部 140Ω 電阻器連至 IN 引腳。在 INFILT 引腳和地之間連入一個去耦電容器，就形成了一個 RC 濾波器，以降低誤差放大器和基準的輸入電源紋波。在 INFILT 引腳上連接一個 0.47μF 去耦電容器，可在高于 10kHz 的頻率上使 PSRR 改進多達 30dB。如果不需要輸入濾波，那么就將 INFILT 引腳連至 IN 引腳。圖 3 顯示了與 LT3065 相比，LT3066 PSRR 性能的改進。

圖 3：具 INFILT 引腳的 LT3066 與 LT3065 的 PSRR 比較

完整的 LT306x 系列

不是所有應用都需要主動輸出放電以保護敏感負載，也不是所有應用都要求輸出電流高達 500mA。因此，凌力爾特還開發(fā)了 LT306x 系列的另外 5 款器件，以提供一種富有吸引力的產品組合，這個系列的器件具備以下特點：高輸入和輸出電壓、低壓差電壓、低輸出電壓噪聲性能、廣泛的保護功能、快速響應以及很寬的 100mA 至 500mA 輸出電流。其中有的器件具備主動輸出放電功能，有的器件則沒有這種功能。以下表 1 突出顯示了 LT306x 系列中各款器件之間的不同。

表 1：LT306x 系列 LDO 功能和特點一覽

結論

新的電路設計方法和改進的芯片制造工藝豐富了基于 PNP 通路晶體管 LDO 的性能特點。凌力爾特等供應商提供的這類 LDO 具備可靠的保護功能、很寬的輸入和輸出電壓范圍、低輸出噪聲和快速響應，能夠用單個電壓源以低壓差運行。新的 LT306x 系列有 6 款器件，輸出電流范圍為 100mA 至 500mA，其中 3 款器件還提供新的完整雙重作用主動輸出放電功能，這種功能非常適合用在圖像傳感器和高可靠性系統(tǒng)中，以保護敏感、昂貴的負載，同時實現(xiàn)精準的電源排序。