單芯片2A降壓穩(wěn)壓器和線性穩(wěn)壓器簡化了寬輸入電壓應(yīng)用

各種電壓源（如汽車電池、未穩(wěn)壓的墻上變壓器和工業(yè)電源）需要穩(wěn)壓，以便在惡劣的輸入瞬態(tài)條件下提供穩(wěn)定的輸出電壓。簡單、堅固且相對便宜的線性穩(wěn)壓器提供了一種解決方案。它們產(chǎn)生低輸出紋波并提供出色的電源紋波抑制，但在高輸入輸出比下，效率低、功耗高和熱約束是問題。

線性解決方案的典型替代方案是高壓單片降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器。開關(guān)穩(wěn)壓器具有高效率、出色的線路和負(fù)載調(diào)整率以及良好的動態(tài)響應(yīng)，但具有多個輸出的系統(tǒng)需要多個開關(guān)穩(wěn)壓器。這會迅速推高電源成本、空間要求、設(shè)計工作量和噪聲。

更好的解決方案在單個封裝中結(jié)合了開關(guān)穩(wěn)壓器和線性穩(wěn)壓器的優(yōu)勢。LT3500 通過在 3mm × 3mm 12 引腳 DFN 封裝中集成了一個高頻開關(guān)穩(wěn)壓器和一個線性穩(wěn)壓器來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，從而免除了在雙輸出系統(tǒng)中增設(shè)第二個開關(guān)穩(wěn)壓器的需要。

獲得二合一并更改...

一個常見的電源問題是從高壓電源產(chǎn)生3.3V和2.5V電源軌。為解決這一問題，LT3500 的開關(guān)穩(wěn)壓器高效地將高電壓輸入轉(zhuǎn)換為 3.3V，而線性穩(wěn)壓器 — 加上一個外部 NPN 晶體管 — 則從開關(guān)穩(wěn)壓器的 2.5V 輸出產(chǎn)生 3.3V 電壓。您可以以一個小包的成本獲得兩個輸出。

...或者，只是打敗熱度

在高電壓輸入、單輸出系統(tǒng)中，由于低輸出紋波和電源抑制，線性調(diào)節(jié)是首選，但散熱是一個問題，LT3500 還提供了一種優(yōu)雅的解決方案。例如，如果需要一個線性穩(wěn)壓的 3.3V 輸出，LT3500 的開關(guān)穩(wěn)壓器能夠高效地將輸入電壓降壓至 3.6V。集成的線性穩(wěn)壓器（加上一個外部 NPN）可以從 3.3V 產(chǎn)生干凈的 3.6V，同時散熱最小。

LT3500 的特性

LT?3500 的開關(guān)穩(wěn)壓器是一款具有一個內(nèi)部 2.3A 開關(guān)的恒定頻率、電流模式 PWM 降壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。3V–36V 的寬輸入范圍使得 LT3500 非常適合于調(diào)節(jié)來自多種電源的電源，包括汽車電池、24V 工業(yè)電源和未穩(wěn)壓的墻上適配器。

圖1.雙通道降壓轉(zhuǎn)換器，用于 5V/1A 和 3.3V/1A。

開關(guān)頻率可通過單個電阻器從 RT/Sync 引腳設(shè)置為地，可在 250kHz 至 2.2MHz 范圍內(nèi)設(shè)置，或者通過用方波驅(qū)動引腳在同一范圍內(nèi)同步?？?a target="_blank">編程頻率范圍和同步功能可實(shí)現(xiàn)效率和外部組件尺寸之間的優(yōu)化。逐周期電流限制、頻率折返和熱停機(jī)功能可保護(hù) LT3500 免受有害故障情況的影響。

圖2.LT3500開關(guān)穩(wěn)壓器效率。

除了開關(guān)穩(wěn)壓器之外，LT3500 還包含一個內(nèi)部 NPN 晶體管，該晶體管能夠提供具有反饋控制的 13mA 電流，該晶體管可配置為線性穩(wěn)壓器或線性穩(wěn)壓器控制器。LT3500 的軟起動功能可控制輸出電壓的斜坡速率，從而消除了啟動期間的輸入電流浪涌，同時在開關(guān)穩(wěn)壓器和線性輸出之間提供輸出跟蹤。SHDN引腳具有一個具有電流遲滯的精確門限，使用戶能夠設(shè)置欠壓閉鎖。LT3500 提供了集電極開路電源良好標(biāo)志，當(dāng)兩個輸出上的輸出電壓上升到其編程值的 90% 以上時發(fā)出信號。當(dāng)輸出處于穩(wěn)壓狀態(tài)時，PG引腳具有高阻抗，通常用于系統(tǒng)復(fù)位功能。當(dāng)輸出處于穩(wěn)壓狀態(tài)時，PG 引腳處于活動狀態(tài)，并用作輸出斷開器件的驅(qū)動信號。在停機(jī)模式中，LT3500 吸收的靜態(tài)電流小于 12μA。

高壓降壓穩(wěn)壓器和低紋波線性穩(wěn)壓器

高壓降壓穩(wěn)壓器最常見的應(yīng)用之一是作為其他電源的前置穩(wěn)壓器。前置穩(wěn)壓器必須不受苛刻輸入瞬變的影響，因為它可為其他下游穩(wěn)壓器產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出電壓。在關(guān)注噪聲和紋波的系統(tǒng)中，通常使用線性穩(wěn)壓器將開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出降壓至所需電壓。

如圖 3500 所示，LT1 和一個外部 NPN 晶體管非常適合這些類型的應(yīng)用。該電路接受6V至36V的輸入，并產(chǎn)生一個5V中間輸出。LT3500 的線性穩(wěn)壓器被配置為一個用于外部 NPN 的控制器，其輸出設(shè)定為 3.3V。請注意，雖然每個單獨(dú)輸出的額定負(fù)載電流為2A，但此處兩個輸出的總和必須小于2A。此外，必須注意不要違反外部NPN的最大功耗。

圖1所示的3A負(fù)載電流下的輸出紋波比較說明了使用線性調(diào)節(jié)來降低開關(guān)紋波和噪聲的好處。LT3500 線性穩(wěn)壓器的出色 PSRR 相對于頻率如圖 4 所示。

圖3.5V 和 3.3V 輸出紋波波形。

圖4.PSRR 與頻率的關(guān)系 V輸出2對于圖 1 中所示的應(yīng)用。

高電壓在， 低 V外，并解決了升壓引腳問題

在高頻下操作 LT3500 允許使用小型低成本電感器和陶瓷電容器，同時保持低輸出紋波。但是，由于最小時間限制（T開（分鐘）< 140ns） 高 V在-to-V外比率可能導(dǎo)致輸出紋波增加。LT3500 的可調(diào)頻率允許用戶優(yōu)化外部組件尺寸，而不管 V在-to-V外率。

高電壓在-to-V外比率也會給大多數(shù)單芯片降壓型穩(wěn)壓器帶來升壓引腳問題。當(dāng)所需的輸出電壓不足以完全打開輸出開關(guān)時，升壓電壓必須從輸入電壓或其他可用電壓得出。從輸入端獲取升壓電壓會帶來幾個問題。首先，由于從升壓引腳到開關(guān)引腳的壓降較大，開關(guān)穩(wěn)壓器效率受到影響。其次，升壓引腳暴露于高輸入瞬變，這可能會違反其額定值。LT3500 通過采用片內(nèi)線性穩(wěn)壓器產(chǎn)生升壓電壓來緩解升壓電壓問題，如圖 5 所示。該電路產(chǎn)生自己的3.3V升壓軌，以在1.8V至4V范圍內(nèi)調(diào)節(jié)5.36V。

圖5.1.8V/2A 降壓型穩(wěn)壓器。

高效線性穩(wěn)壓器

在許多降壓應(yīng)用中，線性穩(wěn)壓器因其出色的PSRR和輸出紋波而成為首選，但由于效率低或熱約束而未使用。圖6顯示了另一種將開關(guān)穩(wěn)壓器和線性穩(wěn)壓器的優(yōu)點(diǎn)最佳組合的方法，從而形成高效率、低噪聲穩(wěn)壓器。開關(guān)穩(wěn)壓器輸出設(shè)置為將4.5V至36V輸入電壓范圍降壓至3.5V，線性控制器設(shè)置為從開關(guān)穩(wěn)壓器的3.3V輸出產(chǎn)生3.5V。由于NMOS調(diào)整器件兩端僅200mV，線性穩(wěn)壓器的效率僅比僅開關(guān)穩(wěn)壓器解決方案低6%，并進(jìn)一步降低了輸出紋波。該應(yīng)用的效率與負(fù)載電流的關(guān)系如圖7所示。

圖6.高效線性穩(wěn)壓器。

圖7.圖6應(yīng)用的效率與負(fù)載電流的關(guān)系。

NPN 或 NMOS 調(diào)整管

NPN或NMOS調(diào)整管在配置為線性控制器時都能很好地工作，但每種都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

在短路線性輸出故障期間，通過NPN的電流被限制為βNPN?我低密度降低（最大），而通過 NMOS 的電流基本上是無限的。由于最大NPN電流通常小于最大開關(guān)穩(wěn)壓器電流，短路輸出將標(biāo)記為錯誤，但不會影響開關(guān)穩(wěn)壓器輸出（假設(shè)開關(guān)穩(wěn)壓器負(fù)載加上短路線性負(fù)載小于2A）。NMOS 上的輸出短路可能會導(dǎo)致兩個輸出都崩潰為零。

線性控制器要調(diào)節(jié)的最小輸入電壓為 V輸出2+ （V是或 VGS最大負(fù)載時）+ 1.2V。五世是對于NPN，通常為0.7V，而NMOS的范圍為1.8V至4.5V，具體取決于晶體管尺寸。例如，1.8V輸出的最小輸入電壓通常為NPN調(diào)整管的3.8V和低閾值NMOS晶體管的5V。

線性穩(wěn)壓器的功率損耗只是器件兩端的壓降乘以流過器件的電流。NMOS晶體管的尺寸可以使得器件可以用V操作DS低于大多數(shù)NPN晶體管的飽和電壓，從而降低功率損耗（提高效率）。

多輸出應(yīng)用

當(dāng)今許多系統(tǒng)的趨勢是從單個高壓源提供多個穩(wěn)壓，以優(yōu)化性能。當(dāng)使用多個開關(guān)穩(wěn)壓器時，拍頻和輸出紋波會導(dǎo)致某些系統(tǒng)出現(xiàn)問題。圖8中的應(yīng)用電路通過同步開關(guān)穩(wěn)壓器和提供低紋波線性輸出來解決這些問題。

圖8.三路輸出應(yīng)用。

圖 3500 中的 LT8 可在 6V 和 20V 之間降壓至 3.3V。3.3V 輸出饋給 LTC3411，LTC1 產(chǎn)生 8.1V 電壓，并為 NMOS 調(diào)整管提供漏極電壓。NMOS 的輸出提供了一個由 LT2 控制的低紋波 3500.3411V 輸出。在強(qiáng)制連續(xù)模式下操作 LTC3 會在其 SW 引腳上產(chǎn)生一個 3.3500V 方波，該方波用于將 LT3411 同步至 LTC9，從而消除任何系統(tǒng)拍頻。應(yīng)用開關(guān)波形如圖3500所示。LT10 控制啟動，并通過 SHDN、SS 和 PG 引腳提供電源良好信息，如圖 <> 所示。

圖9.圖8應(yīng)用的同步開關(guān)波形。

圖 10.圖8應(yīng)用的啟動波形。

每個輸出的電流能力必須在考慮整個系統(tǒng)的情況下確定。LTC3411 的最大輸出電流為 1.25A，必須在 1.8V 和 1.2V 輸出之間共享。LT3500 為 LTC3411 供電，因此至 3.3V 軌的可用電流取決于剩余的任何功率。例如，假設(shè)1.2V輸出的最大電流為1A，則1.8V輸出的最大電流為250mA。1.8V 輸出的最大輸出功率為 2.25W （1.8V ? 1.25A）。由 LTC3 引起的 3.3411V 電源軌所顯示的負(fù)載定義為

3.3V電源軌的電流能力為1.25A（2A最大值減去0.75A）。

結(jié)論

寬輸入范圍開關(guān)器和線性穩(wěn)壓器的組合使得 LT3500 成為各種汽車、工業(yè)和分布式電源問題的完美解決方案。

審核編輯：郭婷