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负线性稳压器在 1 MHz 下具有 0.8 μV RMS 噪声和 74 dB 电源抑制比

关键词:负线性稳压器 电源抑制比 LDO

时间:2020-11-19 13:58:38      来源:ADI

低压差 (LDO) 线性稳压器广泛应用于噪声敏感型应用已有数十年了。然而,随着最新的精密传感器、高速和高分辨率数据转换器 (ADC 和 DAC) 以及频率合成器 (PLL/VCO) 不断向传统的 LDO 稳压器提出挑战,以产生超低输出噪声和超高电源纹波抑制 (PSRR),噪声要求变得越来越难以满足。例如,在为传感器供电时,电源噪声会直接影响测量结果的准确性。开关稳压器通常用于配电系统,以实现更高的整体系统效率。为了构建低噪声电源,LDO 稳压

低压差 (LDO) 线性稳压器广泛应用于噪声敏感型应用已有数十年了。然而,随着最新的精密传感器、高速和高分辨率数据转换器 (ADC 和 DAC) 以及频率合成器 (PLL/VCO) 不断向传统的 LDO 稳压器提出挑战,以产生超低输出噪声和超高电源纹波抑制 (PSRR),噪声要求变得越来越难以满足。例如,在为传感器供电时,电源噪声会直接影响测量结果的准确性。开关稳压器通常用于配电系统,以实现更高的整体系统效率。为了构建低噪声电源,LDO 稳压器通常会对噪声相对较高的开关转换器的输出进行后级调节,而无需使用庞大的输出滤波电容。LDO 稳压器的高频 PSRR 性能变得至关重要。
 
2015 年推出的 LT3042 是业界首款在 1 MHz 下仅有 0.8 μV rms 输出噪声和 79 dB PSRR 的线性稳压器。两款类似的器件 LT3045 和 LT3045-1 可提供更高的额定值和附加功能。所有这些器件都是正 LDO 稳压器。当系统具有双极性器件 (例如运算放大器或 ADC) 时,必须在极性电源设计中使用负 LDO 稳压器。LT3094 是首款具有超低输出噪声和超高 PSRR 的负 LDO 稳压器。表 1 列出了 LT3094 及相关器件的主要特性。

典型应用

LT3094 具有精密电流源基准,后接高性能输出缓冲器。负输出电压可通过流过单个电阻的 -100 µA 精密电流源进行设置。这种基于电流基准的架构可提供宽输出电压范围 (0 V 至 -19.5 V),并提供几乎恒定的输出噪声、PSRR 和负载调节,与设置的输出电压无关。图 1 显示了一个典型应用,演示板如图 2 所示。整体解决方案尺寸大约仅为 10 mm × 10 mm。
 

 

图 1.−3.3 V 输出低噪声解决方案

 

图 2.演示电路显示了一个 -3.3 V 微型解决方案

表 1.LT3094 和低噪声 LDO 的特性

 

LT3015

LT3090

LT3042

LT3045-1

LT3094

正/负输出

输出电流 (A)

1.5

0.6

0.2

0.5

0.5

输出噪声 (10 Hz 至 100 kHz) (µV)

60

18

0.8

0.8

0.8

10 kHz 时的点噪声 (nV/√Hz)

240

57

2

2

2

1 MHz 时的 PSRR (dB)

30

20

79

76

74

可编程电流限制

 

Programmable Power Good
可编程电源良好

 

 

VIOC

 

 

 

可直接并联

 

快速启动功能

 

 


LT3094 具有超低输出噪声,在 10 Hz 至 100 kHz 范围内为 0.8 µV rms,并且在 1 MHz 时具有 74 dB 超高 PSRR。此外,LT3094 具有可编程电流限制、可编程电源良好阈值、快速启动功能和可编程输入至输出电压控制 (VIOC)。当 LT3094 对开关转换器进行后级调节时,如果 LDO 稳压器输出电压可变,LDO 稳压器两端的电压将通过 VIOC 功能保持恒定。
 
LT3094 通过内部保护功能避免器件损坏,包括具有折返功能的内部限流、热限制、反向电流和反向电压保护。

直接并联实现更高的电流

 LT3094 可以轻松并联以增加输出电流。图 3 显示了使用两个并联的 LT3094 实现 1A 输出电流的解决方案。为了使两个器件并联,将 SET 引脚连接在一起,并在 SET 引脚和地之间放置一个 SET 电阻 RSET。流过 RSET 的电流为 200 µA,是单个器件中 SET 电流量的两倍。为了获得良好的均流特性,LT3094 的每个输出都使用一个 20 mΩ 的小镇流电阻。
 

 

图 3.两个并联 LT3094 的原理图


图 4 显示了图 3 中电路的热性能,其中输入电压为 −5 V,输出电压为 −3.3 V,运行于 1A 负载电流下。每个器件的温度大约升至 50℃,表明热量均匀分布。对于更高输出电流和更低输出噪声,可以并联的器件数量没有限制。
 


图 4.两个并联 LT3094 的热图像

具有可变输出电压的正负双电源


电源通常配置由 LDO 稳压器进行后级调节的开关转换器,以实现低输出噪声和高系统效率。为了在功耗和 PSRR 之间保持适当的权衡,LDO 稳压器的输入和输出之间的优化电压差约为 -1 V。在可变输出电压系统中保持这种电压差很复杂,但 LT3094 具有跟踪功能 VIOC,即使输出电压变化,它也能在 LDO 稳压器两端保持电压恒定。
图 5 是使用 LT8582、LT3045-1 和 LT3094 的双电源原理图。LT8582 是一款具有内置开关的双通道 PWM DC/DC 转换器,能够从单个输入产生正输出和负输出。LT8582 的第一个通道配置为 SEPIC 用于产生正输出,第二个通道是反相转换器用于产生负电源轨。在负电源轨中,LT3094 两端的电压由 VIOC 电压控制
(1)
 
其中 VFBX2 为 0 mV,IFBX 为 83.3 µA。将 R2 设置为 14.7 kΩ,则对于可变输出电压可将 VIOC 电压设置为 1.23 V。电阻 R1 为 133 kΩ 时,将 LT3094 的输入电压限制为 16.5 V,则计算如下
                   (2)
 
电路在 12 V 输入下运行的热图像如图 6 所示。当输出电压从 ±3.3 V 变化至 ±12 V 时,LT3094 的温升保持不变。表 2 列出了所有三款器件的电压和电流。图 7 显示了在 12 V 输入下的 ±5 V 电源瞬态响应。
 
在图 5 中,除了 LT8582 的输出电容之外,在 LT3094 的输入端未放置额外电容。通常,输入电容会降低输出纹波,但对 LT3094 来说并非如此。如果 LT3094 具有输入电容,则开关转换器的开关电流将流过输入电容,从而导致开关转换器与 LT3094 输出的电磁耦合。输出噪声会增加,从而使 PSRR 降低。如果开关稳压器位于具 LT3094 两英寸的范围以内,为了获得最佳的 PSRR 性能,我们建议不要在 LT3094 的输入端放置电容。


 

图 5.可调节的双输出正/负电源具有高纹波抑制和低温运行性能

图 6.12 V 输入下的双电源热图像

图 7:12 V 输入、±5 V 输出下的双电源瞬态响应

表 2.12 V 输入、±500 mA 负载下的双输出正/负电源的电路性能

 

VLDO(OUT) (V)

VLDO(IN) (V)

VDROP (V)

LT3094
温升

IIN (A)

系统效率

±3.3

±4.55

1.25

8°C

0.48

57%

±5

±6.25

1.25

8°C

0.65

65%

±12

±13.22

1.22

9°C

1.25

78%


结论
 
LT3094 是一款具有超低噪声和超高 PSRR 的负 LDO 稳压器。它采用基于电流基准的架构,可使噪声和 PSRR 性能独立于输出电压,多个 LT3094 可以轻松并联,以增加负载电流并降低输出噪声。当 LT3094 用于对开关转换器进行后置调节时,VIOC 功能可以最大限度地降低 LDO 稳压器的功耗,使其成为可变输出电压应用的理想选择。

作者简介

Huiyu (Molly) Zhu 是 ADI 公司 Power by Linear™ 部门的高级应用工程师。她于 1998 年和 2000 年分别获得中国清华大学电子工程学士学位和硕士学位,并于 2005 年获得弗吉尼亚理工学院暨州立大学 (位于弗吉尼亚州布莱克斯堡) 电气工程博士学位。

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