Сверхмалошумящий линейный регулятор отрицательного напряжения со сверхвысоким коэффициентом подавления пульсаций питания

Журнал РАДИОЛОЦМАН, октябрь 2019

Molly Zhu, Analog Devices

Design Note

Линейный регуляторы с низким падением напряжения (LDO) на протяжении десятилетий широко используются в приложениях, чувствительных к помехам. Однако новейшие прецизионные датчики, быстродействующие преобразователи данных высокого разрешения (АЦП и ЦАП) и синтезаторы частот (ФАПЧ/ГУН) стали ужесточать требования к шумам, и обычные LDO стабилизаторы уже не могут обеспечить сверхнизкий выходной шум и сверхвысокий коэффициент подавления пульсаций питания (PSRR). Например, при питании датчиков шумы источника напрямую влияют на точность результатов измерений. Импульсные регуляторы часто используются в системах распределения электроэнергии для достижения более высокого общего КПД системы. Для создания малошумящего источника питания после относительно шумного импульсного преобразователя обычно включают LDO регуляторы, не используя громоздкие выходные фильтрующие конденсаторы. В таких схемах преобладающей по важности характеристикой становится PSRR на высоких частотах.

Таблица 1.

Сравнение LT3094 с малошумящими LDO регуляторами

LT3015 LT3090 LT3042 LT3045-1 LT3094 Положительный/ отрицательный выход Отрицательный Отрицательный Положительный Положительный Отрицательный Выходной ток (А) 1.5 0.6 0.2 0.5 0.5 Выходные шумы (в полосе 10 Гц … 100 кГц) (мкВ) 60 18 0.8 0.8 0.8 Точечный шум на частоте 10 кГц (нВ/√Гц) 240 57 2 2 2 PSRR на частоте 1 МГц (дБ) 30 20 79 76 74 Программируемое ограничение тока   • • • • Программируемый выход «Питание в норме»     • • • VIOC       • • Прямое параллельное включение   • • • • Возможность быстрого запуска     • • •

Микросхема LT3042, впервые представленная в 2015 году, является первым в отрасли линейным стабилизатором с выходным шумом всего 0.8 мкВ с.к.з. и PSRR, равным 79 дБ на частоте 1 МГц. Два похожих устройства, LT3045 и LT3045-1, отличаются расширенной областью допустимых режимов и наличием дополнительных функций. Все эти устройства являются LDO регуляторами положительного напряжения. Когда в системе имеются биполярные приборы, такие как операционные усилители или АЦП, в источнике питания должен использоваться LDO регулятор отрицательного напряжения. В Таблице 1 перечислены основные особенности LT3094 и аналогичных по функциям устройств.

Типичное применение

LT3094 содержит прецизионный источник опорного тока, к выходу которого подключен высококачественный буфер. Отрицательное выходное напряжение устанавливается током –100 мкА точного опорного источника, протекающим через единственный резистор. Архитектура с токовым управлением обеспечивает широкий диапазон выходных напряжений (от 0 В до –19.5 В) и практически постоянные значения выходного шума, PSRR и коэффициента стабилизации, независящие от запрограммированного выходного напряжения. На Рисунке 1 показана типичная схема приложения, а на Рисунке 2 изображена демонстрационная плата. Общие размеры решения составляют всего около 10 мм × 10 мм.

Рисунок 1.	Решение для  напряжения –3.3 В с низким выходным шумом.

LT3094 отличается ультранизким выходным шумом, составляющим 0.8 мкВ с.к.з. в полосе от 10 Гц до 100 кГц, и ультравысоким PSRR, равным 74 дБ на частоте 1 МГц. Кроме того, LT3094 имеет программируемый порог ограничения тока, программируемый порог включения сигнала «Питание в норме», цепь быстрого запуска и функцию VIOC (Voltage for Input-to-Output Control – управление напряжением вход-выход). Если LT3094 используется в качестве пострегулятора выходного напряжения импульсного преобразователя, функция VIOC поддерживает напряжение на LDO стабилизаторе постоянным, если выходное напряжение LDO изменяется.

Рисунок 2.	Демонстрационная схема крошечного решения для  напряжения –3.3 В.

От повреждения LT3094 предохраняют внутренние элементы, в том числе схема прогрессирующего ограничения тока, и цепи защиты от перегрева, обратного тока и обратного напряжения.

Прямое параллельное соединение для увеличения выходного тока

LT3094 легко включаются параллельно для увеличения выходного тока. Решение, позволяющее достичь выходного тока 1 А параллельным соединением двух LT3094, показано на Рисунке 3. Для параллельного включения выводы SET соединяются вместе, и между общим выводом SET и землей включается резистор R_SET. Ток, проходящий через резистор R_SET, равен 200 мкА – удвоенному току выводов SET каждого устройства. Для симметричного распределения тока на каждом выходе LT3094 добавлен балластный резистор с небольшим сопротивлением 20 мОм.

Рисунок 3.	Схема параллельного соединения двух LT3094.

На Рисунке 4 изображен тепловой портрет схемы из Рисунка 3, работающей при входном напряжении –5 В, выходном напряжении –3.3 В и токе нагрузки 1 А. Температура каждого компонента поднимается примерно до 50 °C, что свидетельствует о равномерном распределении тепла. Ограничений на количество устройств, которые могут быть подключены параллельно, не существует, ни с точки зрения величины выходного тока, ни с точки зрения выходных шумов.

Рисунок 4.	Термограмма двух параллельно соединенных LT3094.

Двуполярный источник питания с регулируемым выходным напряжением

Рисунок 5.	Регулируемый источник питания с с двумя выходами положительного и отрицательного напряжения с высоким коэффициентом подавления пульсаций и низким перегревом во время работы.

Для достижения низкого уровня выходного шума и высокого КПД системы источник питания обычно состоит из импульсного преобразователя и LDO регулятора. Оптимизированная разность напряжений между входом и выходом LDO регуляторов составляет около –1 В, что обеспечивает хороший компромисс между рассеиваемой мощностью и PSRR. Удержание этой разности напряжений на постоянном уровне сложно в системе с меняющимся выходным напряжением, но в LT3094 реализована функция слежения VIOC, которая поддерживает неизменное напряжение на LDO регуляторе даже при изменении выходного напряжения.

Таблица 2.	Характеристики схемы двуполярного источника питания при входном напряжении 12 В и токе нагрузки ±500 мА
Выходное напряжение (В) Входное напряжение (В) Падение напряжения (В) Перегрев LT3094 Входной ток (А) КПД системы ±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%

На Рисунке 5 изображена схема двуполярного источника питания, в которой использованы микросхемы LT8582, LT3045-1 и LT3094. LT8582 – это двухканальный DC/DC ШИМ-преобразователь с внутренними ключами, который способен из одного входного напряжения формировать как положительное, так и отрицательное напряжение. Первый канал LT8582 конфигурируется как SEPIC, и регулирует положительное напряжение, а второй канал является инвертирующим преобразователем для шины отрицательного напряжения. Напряжение VIOC управляет напряжением на LT3094 в отрицательной шине как

(1)

где напряжение V_FBX2 равно 0 мВ, а ток I_FBX равен 83.3 мкА. Выбор R2 = 14.7 кОм устанавливает напряжение VIOC, равным 1.23 В во всем диапазоне изменений выходного напряжения. При сопротивлении резистора R1, равном 133 кОм, входное напряжение LT3094 ограничивается уровнем 16.5 В, который можно рассчитать по формуле

(2)

Тепловой портрет схемы, работающей при входном напряжении 12 В, показан на Рисунке 6. При изменении выходного напряжения от ±3.3 В до ±12 В превышение температуры LT3094 остается постоянным. Напряжения и токи всех трех устройств приведены в Таблице 2. Рисунок 7 демонстрирует отклик на скачок нагрузки схемы источника питания с выходными напряжениями ±5 В при входном напряжении 12 В.

Рисунок 6.	Тепловой портрет двуполярного источника питания при входном напряжении 12 В.

На Рисунке 5 на входе LT3094 нет никаких дополнительных конденсаторов, кроме выходных конденсаторов LT8582. Как правило, входной конденсатор уменьшает выходные пульсации, но это не относится к LT3094. Если на входе LT3094 будут конденсаторы, коммутируемые токи из импульсного преобразователя будут проходить через входной конденсатор, создавая электромагнитную связь между импульсным преобразователем и выходом LT3094. Выходной шум увеличится, что ухудшит PSRR. При условии, что импульсный регулятор расположен не более чем в двух дюймах от LT3094, мы рекомендуем для достижения наилучших характеристик PSRR не устанавливать конденсатор на входе LT3094.

Рисунок 7.	Отклик на скачок нагрузки двуполярного источника питания с выходными напряжениями ±5 В при входном напряжении 12 В.

Заключение

LT3094 – это LDO стабилизатор отрицательного напряжения с ультранизкими шумами и ультравысоким PSRR. Он имеет архитектуру, основанную на источнике опорного тока, которая сохраняет шумы и характеристики PSRR независимыми от выходного напряжения и позволяет легко соединять параллельно несколько LT3094 для увеличения тока нагрузки и снижения выходного шума. Функция VIOC минимизирует рассеяние мощности на LDO регуляторе, когда LT3094 используется в качестве пострегулятора импульсного  преобразователя, что делает эту микросхему идеальным прибором для приложений с меняющимся выходным напряжением.

Материалы по теме