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簡單並聯 3A線性穩壓器完成不簡單任務
分散功耗與熱能

【作者: Todd Owen】   2012年08月07日 星期二

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基本型3終端穩壓器長久以來都是設計人員工具包中建構元件之一,且30多年來其基本架構並沒有重大改變,採用一個固定的參考電壓、一個電阻分壓器將輸出電壓提升到需求位準,此讓元件的使用更加容易,因此也很受歡迎,但此簡單架構有一些自身的缺點。


傳統線性穩壓器的一個缺點,是最低輸出電壓受限於穩壓器的參考電位,另一個缺點則是不容易增加可用的輸出電流或藉由並聯元件來分散功耗。為了將負載均分於多個穩壓器,使用者必須增加大型鎮流電阻,但如此會導致負載調節失誤,或者以輸入檢測電阻和運算放大器等複雜的迴路架構來平衡負載,但不可避免地此將失去簡單線性穩壓器所保有的單純性。



圖一 :  LT3083 方塊圖
圖一 :  LT3083 方塊圖

但如果將參考電位丟除,且以一個精確的電流源取代,所獲得的元件看起來就很單純,如圖1所示;一個精確電流源接入一個放大器的非反相輸入接點,其輸出驅動一個大型NPN旁路元件且連接到反相輸入接點以提供單位增益。此番對於歷史悠久線性穩壓器元件所做的小改變在各種功能與效能上獲得了巨大效益。


現在在此新架構下,將每一個 SET 針腳相連以並聯穩壓器,並提供一個公共參考給所有誤差訊號放大器,使其有機會僅以幾毫歐姆鎮流電阻來平衡元件間電位偏移變化量,突然之間,很容易地便能在極多個所需元件間分散功耗,且擴展所需的輸出電流。此架構美妙之處在於單一電阻生成參考電位給所有穩壓器使用,不管是一個、十個或一百個穩壓器,此外,此架構允許零電阻的接入等同零輸出-以固定參考電壓來限制輸出電壓範圍的底部已不復存在。


新架構的優點

LT3080 1.1A 線性穩壓器是第一款使用精確電流源架構的線性穩壓器,能輸出高電流且能並聯任何數量的LT3080 表面黏著電源供應器。LT3083 針腳相容於 LT3080且具有相似的高效能規格,但輸出電流能力更提升至3A。新架構所提供的效能優點是無法計數的。



圖二 :  參考電流溫度特性
圖二 :  參考電流溫度特性

頻率響應與負載穩壓是固定的

傳統線性穩壓器的增益與頻寬會隨著輸出電壓受電阻分壓器改變而變化,跳過不使用穩壓器的回授針腳會影響迴路響應性,負載無法穩壓於固定電壓,而是輸出電壓的固定比例因為電阻分壓器會拾取任何電壓偏異,此外,參考電壓雜訊也會為相同的電阻分壓器撿取。


使用電流源與單位增益緩衝可消除這些缺點,因為誤差訊號放大器總是工作於單位增益,頻率響應不再是輸出電壓的函數或受旁通參考點所改變。負載此時便能穩壓於固定電壓,而不論輸出電壓為何。因為旁通跨接不會影響迴路響應,兩個雜訊源便能被消除:參考電流源雜訊和電阻散射雜訊被一顆單一電容所平定,唯一剩下的誤差訊號放大器雜訊出現於輸出端,形成一個與輸出電壓無關的固定電位。



圖三 :  並聯穩壓器以獲得較高電流與分散熱能
圖三 :  並聯穩壓器以獲得較高電流與分散熱能

DC特性

LT3083的DC特性與原本的LT3080相同,LT3083 分離出 NPN 旁路元件的集電極以最小化功耗。誤差訊號放大器的負載穩壓度典型低於1mV,且在 50uA參考電流側則幾乎無法測得。參考電流的輸入電源穩壓度小於0.0002%/V,誤差訊號放大器電源穩壓度偏移典型為2µV/V。參考電流的溫度特性是絕佳的,在整個工作接面溫度範圍皆維持於0.2%以內,如圖2所示。


LT3083 還提供所有凌力爾特元件所固有的電流限制保護特性,其具有安全工作區,以保護元件於短路環境時免於受到損壞,以及熱極限可保護元件在過高功耗情況下的安全。


AC特性

請不要認為 LTC3083的AC特性在致力追求提高DC效能時將受到折損,小到僅10µF 的輸出電容讓其暫態響應可達到絕佳境界,小型陶瓷電容的使用不會導入ESR,使用旁路電容跨接於參考電阻則提供一個緩慢的啟動功能,輸出電壓會跟隨由SET電阻和旁路電容所產生的RC時間常數。並聯元件對雜訊效能也提供一定的好處,並聯多顆LT3083穩壓器降低輸出雜訊的方式,如同並聯n個運算放大器降低雜訊達√n 倍。



圖四 :  高電流參考緩衝
圖四 :  高電流參考緩衝

應用

LT3083 看似簡單的架構與高效能特性,使其應可用於超出基本線性穩壓器範疇的非常強大建構單元,其可被簡單地並聯以增加輸出電流與分散熱能,高度驅動SET針腳是絕對可接受的;低偏移與高輸出電流使其在高電位電源環境提供高精準的參考電壓供應,透過DAC驅動 SET針腳可數位編程輸出供應。準確電流源可被實現無需經歷無數困難,可能性只受限於使用者的想像力。


並聯穩壓器增加輸出電流與分散熱能

圖3顯示如何並聯多顆 LT3083來增加輸出電流與分散熱能,請注意平衡穩壓器間負載的最小鎮流電阻數量。透過增加更多 LT3083來產生靜態且準確的高電流的表面黏著電源供應是有可能的,雖然功耗被均勻分散於並聯穩壓器間,但熱能管理依然是需要的,透過橫跨穩壓器兩端低至0.5V的壓降,當負載流經3A時將產生1.5W功耗,進而推升表面黏著設計的散熱能力。



圖五 :  可數位編程之電源供應
圖五 :  可數位編程之電源供應

高電流參考緩衝

創建一個高電流參考緩衝不需花費太多力氣,如同圖4所示,在此電路,LT1019-5 輸出相連以引入穩壓器50µA參考電流,此參考源隨溫度變化的精度為0.2%,或10mV,LT3083 4mV 的最大偏移電壓使其輸出精度保持於 0.3%以內,LT3083 參考電流精度不是輸出電壓公差的一個因子,也沒有電阻來產生潛在的公差變異。


可數位編程之輸出電壓

簡單地增加一顆 DAC來驅動SET針腳就能數位編程輸出電壓,圖4顯示如何用DAC以1.5LSB設定LT3083的輸出從 0 到超過16V的任何電壓值,在此電路中,LTC2641-12 透過LT1991(被組態為增益4)利用一個4.096V參考電壓驅動LT3083的SET針腳。


如前所述,LT3083 的嚴格規格造就如此絕佳效能,請牢記當工作於最低輸出電壓時,最低負載電流的要求必須被滿足—當工作於低輸入電壓,小於500µA的負載電流是必須的,其比起傳統線性穩壓器的5~10mA 小的多。


簡單的2-終端電流源

在特定應用條件,電流源非常困難實現,有些必須參考接地,其他必須參考到正電源端,然而最困難的設計是需要浮動、2-終端元件。LT3083 很容易地被組態為2-終端電流源,利用簡單地調整外部電阻比例和添加如圖5的補償設計即可,此電流源可參考接地、參考到正電源端或者完全浮動而毫無任何困難。



圖六 :  2-終端電流源
圖六 :  2-終端電流源

結論

在LT3083方塊圖所顯示的簡單架構下,所代表的是一款高效能、多功能、突破性的建構單元元件,LT3083 結合LT3080的前瞻性結構、絕佳AC與DC特性和增加輸出電流以解決傳統3-終端或低壓降穩壓器不敢碰觸的問題,其可做為電源供應,使工作電壓降至0V,並聯則可輸出高電流與分散熱能,或動態驅動。表面黏著板透過高電流線性電源供應目前已能實現,且無損效能。


  • 作者Todd Owen為凌力爾特電源產品資深設計工程師


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