如何為衛(wèi)星應(yīng)用選擇合適的LDO

耐輻射低壓降穩(wěn)壓器 （LDO） 是許多航天級(jí)子系統(tǒng)（包括現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列 （FPGA）、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和模擬電路）的重要電源元件。LDO 有助于確保為性能取決于干凈輸入的元件提供穩(wěn)定的低噪聲和低紋波電源。

但是，市場(chǎng)中有如此多的LDO，如何為子系統(tǒng)選擇合適的耐輻射器件呢？讓我們看看一些設(shè)計(jì)規(guī)格和器件特性，以幫助您做出這個(gè)決定。

航天級(jí)LDO的壓降

LDO的壓降是輸入電壓和輸出電壓之間的電壓差，在該電壓差下 LDO 停止調(diào)節(jié)輸出電壓。壓降規(guī)格越小，能夠?qū)崿F(xiàn)的工作電壓差就越小，從而使功率耗散和熱耗散更少，并從本質(zhì)上提高最大效率。這些優(yōu)勢(shì)在更高的電流下會(huì)變得更加顯著，如公式 1 所示：

在耐輻射方面，很難找到在輻射、溫度和老化方面提供強(qiáng)大性能的真正低壓降穩(wěn)壓器。例如，TI 的耐輻射 LDO TPS7H1101A-SP 能夠在 3A 電流下提供 210mV 的典型壓降 （Vdo），該壓降目前在市場(chǎng)上屬于超低水平。如果您有標(biāo)準(zhǔn)的 5V、3.3V、2.5V 或 1.8V 電源軌可用，該LDO 可以將輸出電壓調(diào)低至 0.8V 以提供任何所需的電壓，以及一個(gè)或多個(gè)航天級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 或時(shí)鐘所需的電流。

航天級(jí)LDO的噪聲性能

隨著衛(wèi)星在太空中運(yùn)行10年或更長(zhǎng)時(shí)間，使機(jī)載集成電路充分發(fā)揮性能有助于確保設(shè)計(jì)壽命。為了向高性能時(shí)鐘、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號(hào)處理器或模擬元件提供干凈、低噪聲的電源軌，LDO 電路需產(chǎn)生超小的內(nèi)部噪聲。由于不容易濾除內(nèi)部產(chǎn)生的 1/f 噪聲，因此應(yīng)采用具有固有低噪聲特性的 LDO。低頻噪聲通常是最大的，也是最難濾除的。TPS7H1101A-SP 提供超低的 1/f 噪聲水平，在 10Hz 頻率下的峰值約為 1μV/√Hz。有關(guān) RMS 噪聲隨頻率變化的情況，請(qǐng)參閱下面的圖 1。

圖 1：TPS7H1101A-SP 噪聲

航天級(jí) LDO 的 PSRR

電源抑制比 （PSRR） 用于衡量 LDO 清除或抑制由上游其他元件傳入噪聲的能力。對(duì)于高端 ADC，為了更大限度地減少位錯(cuò)誤，輸入電源噪聲要求不斷提高。鑒于控制環(huán)路的特性，在較高的頻率下，很難獲得高PSRR。通常，設(shè)計(jì)人員需要使用外部元件來(lái)濾除噪聲，從而達(dá)到可接受的有效 PSRR，但會(huì)增加解決方案尺寸 – 這對(duì)于航天應(yīng)用而言是一個(gè)明顯的問(wèn)題，因?yàn)槌叽绾椭亓繒?huì)直接影響衛(wèi)星發(fā)射成本。在上游電源的開(kāi)關(guān)頻率下，需要特別注意 PSRR（因?yàn)樵谠擃l率下存在電壓紋波）。此外，由于開(kāi)關(guān)諧波的影響，在該頻率下也要妥善考慮 PSRR。如果您期望實(shí)現(xiàn)出色的 PSRR，TPS7A4501-SP LDO 可在 100kHz 的頻率下提供超過(guò) 45dB 的 PSRR。

其他重要的 LDO 特性

除壓降、PSRR 和噪聲之外，讓我們看看實(shí)現(xiàn)耐輻射 LDO 性能不可或缺的幾項(xiàng)出色特性。

·使能。在太空中，太陽(yáng)能電池板只能提供一定的電能，而許多功能都依靠電能才能運(yùn)行。利用使能特性，您可以在任何給定的時(shí)間指定 LDO 是打開(kāi)還是關(guān)閉，事實(shí)證明，該特性對(duì)于節(jié)省整體功率預(yù)算而言至關(guān)重要。使能引腳對(duì)于上電時(shí)序而言也很重要，而新一代 FPGA 對(duì)上電時(shí)序的需求越來(lái)越大。

·軟啟動(dòng)。電壓上升過(guò)快可能會(huì)導(dǎo)致電流過(guò)沖或過(guò)大的峰值浪涌電流，從而損壞 FPGA 或 ADC 等下游器件。軟啟動(dòng)特性可調(diào)節(jié)啟動(dòng)時(shí)輸出電壓上升的速度。軟啟動(dòng)還可以防止上游電源產(chǎn)生過(guò)電流，從而防止出現(xiàn)不可接受的電壓下降。

·輸出電壓精度。通常，Xilinx KU060 等較新的航天級(jí) FPGA 對(duì)每個(gè)電源軌都有嚴(yán)格的輸入電壓容差要求，以實(shí)現(xiàn)最佳性能。為確保您的設(shè)計(jì)在輻射暴露和壽命終止條件下滿足嚴(yán)格的精度要求，請(qǐng)采用 TPS7H1101A-SP 等器件，該器件位于 KU060 開(kāi)發(fā)板上。

·尺寸。除了采用易于布局的小型封裝之外，減小解決方案尺寸的其他方法包括限制 LDO 的外部元件數(shù)量，實(shí)現(xiàn)更多集成功能、更好的 PSRR 和噪聲規(guī)格，以及在單粒子效應(yīng)下實(shí)現(xiàn)更可靠的耐輻射性能。TI 的 TPS7A4501-SP 在封裝尺寸、布局和解決方案尺寸方面都是一款業(yè)界超小的耐輻射 LDO。

結(jié)語(yǔ)

面對(duì)如此多的器件，選擇一款合適的 LDO 可能很困難，應(yīng)從哪些功能和特性最重要的角度考慮。例如，如果您的應(yīng)用要為高端 FPGA 或高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器供電，則輸出電壓精度、基準(zhǔn)精度、PSRR 和噪聲等特性可能是需要優(yōu)先考慮的因素。不過(guò)，如果您要設(shè)計(jì)低性能模擬電路或使用容差要求不那么嚴(yán)格的舊 FPGA，那么在保持適當(dāng)功能的同時(shí)擁有尺寸超小、成本超低的解決方案可能是更好的選擇。