封面故事 新型线性稳压器 解决了老问题 作者 ：Bob Dobkin，工程部副总裁兼首席技术官，凌力尔特公司 稳压器可调节电压，但还能做很多其他的事情。自 1976 年三端浮 动稳压器问世以来，线性稳压器的架构几乎就没有改变过。稳压 器要么是一种浮动架构 (LT317)，要么就是一种具有从输出至放大 器之反馈的放大器环路。这两种架构在通用性、调节性能和准确 度方面存在局限性。 反 馈电阻器负责设定输出电压并 零的条件下运作。由于输出放大器始 对进入放大器的反馈信号进行 终以单位增益工作，因此带宽是恒定 表 1 罗列了新型稳压器及其主要 衰减。因此，输出端上的稳压是输出 的，稳压也是恒定的。瞬态响应与输 特性。伴随着不同的输出电流，这些 电压的一个百分数，于是，虽然百分 出电压无关，而且可采用 mV (而不是 稳压器进行了特别的设计，以在现有 数值上可能是相同，但较高输出电压 输出的一个百分数) 来规定稳压。图 的稳压器中增添以前无法提供的功能 有调节的余地。其内置于 IC 之中，对 图 1a ：老式稳压器 图 1b ：新型架构稳压器 于不同的输出电流必须采用不同的器 表1 1b 示出了新型稳压器架构。 的稳压 (单位：V) 却较差。而且，稳 压器的带宽也会随着电压的变化而改 变。由于环路增益下降，因此在较高 的输出电压条件下带宽也将减小。当 输出电压升高时，这会减缓瞬态响应 速度并使纹波性能变差。 老式稳压器固定了电流限值，没 可调电流限值 / 件。所以，如果电流限值必需与应用 相匹配或需要准确的电流限值，就必 器件 输出电流 ISET 电流监视器 温度监视器 LDO 须使用一个外部电路。图 1a 示出了老 LT3080 1.1A 10μA 无/无 无 有 输出电容器可任选 LT3081 1.5A 50μA 有/有 有 无 无 无 式稳压器的基本架构。 2007 年，在 LT3080 中引入了一 种新型架构。该器件采用一个电流源 作为基准，并使用一个电压跟随器作 为输出放大器。这种架构的两个优势 LT3082 200mA 10μA 无/无 LT3083 3A 50μA 无/无 无 有 LT3085 600mA 10μA 无/无 无 有 LT3086 2.1A 有/有 有 + 温度限值 有 负稳压器 LT3090 600mA -50μA 有/有 有 有 电流源操作无需输出电 LT3092 200mA 10μA 无/无 无 无 是：可并联多个稳压器以提供更高的 输出电流；稳压器能在输出电压低至 22 容器 WWW.POWERSYSTEMSDESIGNCHINA.COM 功率系统设计 POWER SYSTEM DESIGN CHINA 2013 年 9/10 月 限值。 图 2 示出了 LT3081 的基本连接。 采用自举基准 ) 的好处并不是那么明 图 2 ：采用 LT3081 的基本稳压器 温度和电流监视器输出采用电 显的。真正的基准电流源可使稳压器 流源配置，以在 V OUT + 0.4V 至 V OUT 具有与正输入端上的阻抗无关的增益 – 40V 的 范 围 内 运 作。 温 度 输 出 和频率响应。就此前推出的所有可调 为 1μA/ ℃， 而 电 流 监 视 器 输 出 为 稳压器 ( 例如 ：LT1086) 而言，其环 I OUT /5000。这些电流源是通过将一个 路增益和带宽都会随着输出电压的变 电阻器与电流源串联接地并在电阻器 化而改变。假如调节引脚被旁路至地， 两端读取参数进行测量的。电流源具 那么带宽也会发生变化。对于 LT3081 有一个 -40V 至 0.4V ( 参考于输出 ) 的 来说，环路增益不会因输出电压的变 范围，而且即使在输出短路的情况下 化或者调节引脚的旁路而改变。输出 其仍将继续工作。监视器输出的动态 稳压不是输出电压的一个固定百分 范围比输出高 400mV，因此当输出短 数，而是一个固定的 mV 数值。使用 路或被设定为零时，仍然能够测量温 一个真正的电流源可允许缓冲放大器 度和电流。采用一个 1k 电阻器可提供 中的所有增益提供稳压，而且将基准 足够的裕量，并在输出短路时确保操 放大至一个较高的输出电压不需要其 作的正常进行。 中的任何增益。 输出利用一个连接在 SET 引脚 工业应用需要很大的安全工作 和地之间的电阻器和一个 50μA 精 区。安全工作区反映的是在输入 - 输 图 3 ：安全工作区性能的比较 准 电 流 源 来 设 定。 内 部 跟 踪 放 大 器 出电压差很高的情况下传输大电流 特性。包括了用于温度和电流的监视 强制输出电压与 SET 引脚电压相等。 的能力。图 3 比较了几个稳压器的安 器输出以及电流限值的外部控制。有 LT3081 的独特之处在于输出电容器 全工作区。上世纪 80 年代中期推出 一款器件 (LT3086) 还具备热停机的外 是可任选的。稳压器可在采用或未采 的 LT1086 是一款 1.5A 稳压器，当输 部控制能力。一种新型负稳压器提供 用输入和输出电容器的情况下实现稳 入 / 输出电压差高于 20V 时其输出电 了监视功能，并能充当一个浮动稳压 定。所有的内部工作电流都流过输出 流将降至非常低的水平。在输入 / 输 器或 LDO。所有这些新型稳压器均可 引脚，并需要最小负载以保持调节作 出电压差高于 20V 的情况下，只能 通过并联以提供较高的电流、均流和 用。这里，在所有的输出电压下均需 提供大约 100mA 的输出电流。倘若 散热。 要一个 5mA 的负载，以把器件保持 负载电流高于 100mA，则这会 导 致 于全面调节状态。 输出电压变至未调节状态，而且输入 一款新型工业稳压器 LT3081 是一款具有宽安全工作区 设定电阻器会增加系统温度漂 端上的瞬变将致使高电压电流限值 移。市售的表面贴装电阻器具有各种 被超过。LT1963A 是一款低压差稳压 的工业稳压器。其能提供 1.5A 输出电 各样的温度系数。视制造商的不同， 器，其同样具有一个有限的安全工作 流、输出电压可调节至零、具备反向 这些温度系数低的在 100ppm，高的 区。LT3081 扩展了安全工作区，在电 保护功能并拥有用于温度和输出电流 则超过 500ppm。虽然电阻器不会因 压差为 25V 的情况下可提供约 1A 的 的监视器输出。此外，还可通过连接 为稳压器中的功率耗散而被加热，但 输 出 电 流。 即 使 输 入 / 输 出 电 压 差 一个外部电阻器至该器件来调节电流 是在很宽的环境温度范围内其温度系 高于 25V，可用的输出电流仍然达到 数则会使输出产生 1% 500mA。这允许稳压器在那些操作期 至 4% 的变化。对于高 间有可能施加宽变化范围输入电压的 精 度 应 用， 可 使 用 具 应用中使用。给 PNP 传输器件采用一 较低温度系数的薄膜 种大型结构可获得宽的安全工作区。 电阻器。 另外，还为 LT3081 ( 以及负载 ) 提供 采用内部的真正 电流源作为基准 ( 而不 图 4 ：LT3081 的方框图 像先前的稳压器那样 了针对反向输入电压的保护。 图 4 示 出 了 LT3081 的 方 框 图。 有三个电流源，其中的两个负责报告 WWW.POWERSYSTEMSDESIGNCHINA.COM 23 封面故事 件下均保持稳定。另外，外部电容器 还能改善瞬态响应，因为其不再受限 于内部放大器的带宽。 对于此类新型电流源基准稳压器 而言，器件的并联是很容易的，而对 于过去的稳压器来说这种做法则是不 允许的，因为它们不能均流。器件并 联适用于增加输出电流或散热。由于 图 7 ：增加固定稳压器的输出电流 其被配置为一个电压跟随器，因此把 所有的 SET 引脚连接在一起可使输出 具有相同的电压。如果输出处于相同 的电压，则只需采用几 mΩ 的镇流 器即可对这些器件进行镇流，并使它 图 5 ：失调电压 们能够均流。 表 2 ：PC 板走线电阻 重量 (盎司) 图 5 示 出 了 LT3081 的 失 调 电 10 密耳 20 密耳 压分布情况。分布全部位于 1mV 之 (mil) 宽度 (mil) 宽度 内以确保均流准确度达 10% ；采用 图 8 ：采用一个阻值较低的设定电阻器 1 54.3 27.1 2 27.1 13.6 10mΩ 的镇流电阻便绰绰有余了。镇 20mΩ 的电阻器提供了用于克服该失 流电阻器可以是 PC 板上长度不到 1 调的充分镇流，并在较高的输出电流 英寸的印制线，或者是一小段导线， 条件下确保了电流匹配。 当布设了用于生成基准电压的 并利用并联器件提供了优良的电流匹 配。即使在 1V 输出下，由此造成的 50μA 电 流 源 时， 位 于 该 电 流 源 和 稳压性能下降也仅有 1.5% 左右。表 2 SET 引脚之间的漏电路径会在基准和 列出了 PC 板电阻。 输出电压中产生误差。需要对所有 图6 示出了通过并联两个 的绝缘表面进行清洁以去除焊剂和其 LT3081 以 获 得 3A 输 出 的 电 路 原 理 他残留物。表面涂层也许是必不可少 图。此时，设定电阻器中流过的设定 的，用于在高湿度环境中提供一个防 电流增加了 x2，因此输出为 100μA 潮层。通过采用一个连接至 OUT 引 x R SET，而且 10mΩ 的镇流电阻器可 脚的保护环将 SET 引脚和电路围绕起 图 6 ：将器件并联 在满电流时确保镇流作用。可以通过 来，可最大限度地减少电路板漏电。 输出电流和温度。第三个电流源则用 并联任意数目的器件来提供更高的电 另外，按图所示增大 SET 电流也可降 于提供 50μA 基准电流。LT3081 虽然 流。可把 I LIM 引脚并联起来 ( 如果采 低寄生漏电的影响。 并非低压差稳压器，但可在器件两端 用的话 )，因此一个电阻器设定了电 电压低至 1.2V 的情况下运作，该性能 24 流限值。 在某些应用中，50μA 的低 SET 电流会引起问题。高阻值薄膜电位器 略优于诸如 LT1086 等老款器件。内 图 7 示出了将 LT3081 与一个固 的稳定性不如阻值较低的线绕电位器。 部放大器配置与经过良好调节的内部 定稳压器相并联的情形。当系统的可 电路板漏电也会在输出中引起不稳定。 偏置电源相结合，使得器件可在未采 用输出电流设计值不足时，这种做 通过把 SET 电流增加至高于 50μA 的 用外部电容器时实现稳定。一项告诫： 法很有用。它提供了一种增加输出电 标称值，可尽量减少问题的发生。图 其无法以容许输入和负载中所有可能 流的应急方法。分压器仅使固定器 8 示出了一款采用较低阻值设定电阻 的阻抗为目标进行设计，因此重要的 件的输出电压下降几个 mV。LT3081 器的解决方案。这里，通过 R2 产生了 是在实际使用的系统中测试稳定性。 的 SET 引脚连接至比固定输出低大约 一个增大的电流并与 SET 引脚电流相 如果发现存在不稳定性，则布设外部 4mV 的电压。这可确保在无负载情况 加，从而提供一个用于调节输出的大 电容器可确保器件在所有输出电流条 下不会有电流从 LT3081 流出。此外， 得多之电流。SET 电流流经一个 4k 电 WWW.POWERSYSTEMSDESIGNCHINA.COM 功率系统设计 POWER SYSTEM DESIGN CHINA 2013 年 9/10 月 阻器，在 R1 的两端产生 200mV。接 + RCOMP)。运用这种方式可以补偿几 V 着，流过 R2 的电流加入 SET 引脚电 的线路压降。 流，提供了一个流经 ISET 至地的 1.05mA 结论 总电流。这降低了电压对于 R EST 周围 漏电流的敏感性。应谨慎地以开尔文 与先前的器件相比，新型稳压器 (Kelvin) 方式将 R2 直接连接至输出。 从输出至 R2 的电压降将影响稳压。另 针对负载和电压变化提供的调节性能 图 9 ：采用一个外部基准电路 提升了一个数量级。稳压规格指标以 一种配置将 LT3092 用作一个 1mA 的外 及瞬态响应不会随输出而改变。此类 部电流源。这提供了增大的 SET 电流， 器件中的新功能提供了温度和电流监 并允许把输出调低至零。 视，以及可调的电流限制。多个器件 图 9 示出了采用一个 LT3092 电 的并联不再需要外部电流平衡电路， 流源来给 LT3081 提供电流基准的情 以避免发生电流扰乱。伴随着这些改 形。生成的 1mA 基准电流允许调节设 进，器件的坚固性也有所提高。 定电阻器的阻值大幅降低，同时仍然 新型稳压器可实现新的应用。器 可将器件的输出调低至零。 件的并联轻而易举，而且可补偿线路 如图 10 所示，可采用电流监视 压降。电流限值门限如今由用户定义， 图 10 ：采用电流监视器输出来补偿线 路压降 而且输出可调节至零。扩大了稳压器 SET 引脚上产生一个电压，该引脚提 数关系。补偿电阻器的阻值为 R2 = 情况下运作。 升电压的幅度与电流之间存在某种函 5000 • RCABLE(TOTAL) 和 VOUT = 50μA (RSET www.linear.com.cn 器输出来补偿线路压降。通过设定电 阻器的一部分向电流监视器馈电可在 的安全工作区，以在输入摆幅较宽的 WWW.POWERSYSTEMSDESIGNCHINA.COM 25