大電流LDO 應用具增強的熱性能以減少熱點(diǎn)

　　背景

　　隨著(zhù)便攜式和非便攜式產(chǎn)品尺寸的減小，也需要相應減小印刷電路板 (PCB) 的尺寸。單面電路板已經(jīng)讓位于雙面電路板，現在 4 至 16 層的電路板已經(jīng)司空見(jiàn)慣了。幾乎總能見(jiàn)到利用各種不同的板上穩壓器進(jìn)行電源分配和負載點(diǎn)電壓轉換的實(shí)例。開(kāi)關(guān)穩壓器在很寬的電壓范圍內以較高頻工作，但需要電感器，從而占用了大量電路板空間。人們也用充電泵或開(kāi)關(guān)電容器電壓轉換器來(lái)實(shí)現電壓轉換，但是其輸出電流能力有限，大約為 500mA，而且需要外部電容器以穩定工作，但是一般來(lái)說(shuō)，就提供與開(kāi)關(guān)穩壓器相當的輸出電流而言，占用較少的電路板空間。低壓差 (LDO) 線(xiàn)性穩壓器效率較低，但產(chǎn)生較低的噪聲，而且就降壓型應用而言，使用也更簡(jiǎn)單。

　　新式表面貼裝 PCB 系統的限制

　　PCB 上產(chǎn)生局部熱點(diǎn)這個(gè)問(wèn)題很難解決。開(kāi)關(guān)穩壓器和充電泵由于采用開(kāi)關(guān)拓撲，所以產(chǎn)生較少的熱量。而另一方面，視輸入至輸出電壓差、輸出電流和封裝熱特性的不同而不同，LDO 產(chǎn)生更多的熱量。表面貼裝電路板的設計隨著(zhù)更加尖端的制造方法、多層 PCB、較小和較薄的分立式組件、以及較薄的 IC 封裝的采用而演變。傳統上，當需要大電流時(shí)，在這類(lèi)系統中采用了具功率封裝和散熱器的線(xiàn)性穩壓器或開(kāi)關(guān)穩壓器。不幸的是，與全表面貼裝解決方案相比，使用散熱器使電路板更加復雜、昂貴和難以組裝了。直到現在，由于表面貼裝 IC 在電路板上的散熱限制，LDO 的功耗一直限制在約為 2W。在這類(lèi)應用中使用線(xiàn)性穩壓器遇到的典型問(wèn)題包括：

　　• 在表面貼裝系統中無(wú)法得到較大的輸出電流。并聯(lián)允許較大的輸出電流，并在表面貼裝系統中使功耗分散到較大的區域上。否則，當穩壓器貼裝到 PC 板表面時(shí)，較高的峰值溫度將使功耗限制為最大 2W。

　　• 無(wú)法將輸出電壓調節至低于 1.2V。新的高性能數字電路需要低于 1.2V 的電壓。

　　• 無(wú)法在所有表面貼裝系統中實(shí)現最佳使用。表面貼裝組件和高密度電路板排除了為較舊的線(xiàn)性穩壓器配備散熱器的可能 (高度限制等)。

　　高性能開(kāi)關(guān)穩壓器填補了這些空白，可提供較低的輸出電壓和最少的熱量積累。缺點(diǎn)是提高了成本和復雜性。不過(guò)現在，改進(jìn)的設計方法使低壓差穩壓器在這一應用領(lǐng)域占據了相當大的份額，而且份額在日益增大。

　　一種新的架構 ━━ 可并聯(lián) 3A NPN LDO

　　LT3083 是一款 3A LDO，可非常容易地并聯(lián)，以分散熱量并提供較大的輸出電流。該器件采用電流源基準和高電源電壓跟隨器。穩壓器的跟隨器輸入連在一起 (SET 引腳)，僅用一小段 PC 走線(xiàn)作為鎮流器，就可以在多個(gè)穩壓器之間實(shí)現輸出電流均分并分散熱量，從而無(wú)需散熱器，就能在全表面貼裝系統中實(shí)現數安培的輸出電流。

　　LT3083 在任何輸出電壓都能實(shí)現無(wú)與倫比 < ±2mV 的穩定度。該器件具 1.2V 至 18V (DD-Pak 和 TO-220 封裝) 的寬輸入電壓能力，當用一個(gè)單獨的偏置電源工作時(shí)，其滿(mǎn)負載電流壓差僅為 310mV。輸出電壓可用單個(gè)電阻器調節和編程，涵蓋從 0V 至 17.5V 的寬電壓范圍，而且已微調的內置 50µA 電流基準達到了 ±1% 的高準確度。由于該器件采用了單位增益電壓跟隨器架構，所以穩定性和輸出噪聲 (40µVRMS) 不受輸出電壓影響。大的輸出電流、寬的輸入和輸出電壓范圍、嚴格的電壓和負載調節、高紋波抑制、很少的外部組件和并聯(lián)能力使 LT3083 非常適用于新式較大電流的多軌系統。

　　圖 1：LT3083 的典型應用電路

　　OPTIONAL FOR MINIMUM 1mA LOAD REQUIREMENT：

　　可選，以滿(mǎn)足 1mA 的最小負載電流要求

　　LT3083 采用各種耐熱增強型表面貼裝兼容封裝，包括扁平 (0.75mm) 12 引線(xiàn) 4mm x 4mm DFN 和 16 引線(xiàn)耐熱增強型 TSSOP。在表面貼裝應用中，這兩種封裝無(wú)需散熱器，就允許 2W 耗散。該器件還采用 5 引線(xiàn) TO-220 和 DD-Pak 功率封裝，以安裝到散熱器上，從而允許更大的功率耗散。

　　較大基準電流的優(yōu)勢

　　相比先于其推出的同類(lèi)器件 (LT3080 / LT3082 / LT3085)，LT3083 的 SET 引腳電流為 50uA (前者則為 10uA)，因而對于影響實(shí)際輸出電壓的電路板漏電流不太敏感。對于因電路板清洗不良和 / 或污染所引起從 SET 至 GND 的給定漏電流，將呈現出一個(gè)較小的百分比誤差：50uA 比 10uA。另外，對于一個(gè)給定的輸出電壓，RSET 電阻器的阻值較小 (它是一個(gè)較低阻抗節點(diǎn)，使得雜散信號不容易耦合進(jìn)來(lái))，從而可產(chǎn)生一個(gè)更加穩定的輸出。該器件的 SET 引腳電流還具有很高的準確度 (初始準確度達 1%)，而且在整個(gè)溫度范圍內也非常穩定，如圖 2 所示。

　　圖 2：LT3083 的高度準確 SET 引腳電流

　　SET Pin Current：SET 引腳電流

　　TEMPERATURE：溫度

　　流行的電路應用：3A 電流源

　　這個(gè)新一代 NPN LDO 系列適用于各種創(chuàng )新性電路方案，其中的兩個(gè)是電流源和并聯(lián)配置。

　　與其他模擬電路相比，表面上看，電流源設計似乎相對容易，但實(shí)際上卻更復雜。盡管高質(zhì)量電壓源很常見(jiàn)，但是在凌力爾特推出 LT3092 之前，作為組件的電流源一直難以見(jiàn)到。將 LT3083 配置為電流源，可提供很多 LT3092 提供的功能，而且該電流源還提供高得多的供電電流 (3A 比 200mA)，參見(jiàn)圖 3 以獲得詳細信息。此外，這種電流源消除了傳統的分立式方案的多種問(wèn)題，尤其是希望隨溫度變化有較高的準確度和穩定性時(shí)。

　　圖 3：LT3083 配置為電流源

　　Current Source：電流源

　　直接并聯(lián)的 IC 分散熱量

　　與單個(gè) IC 相比，在 PC 板上并聯(lián)的穩壓器可以分散熱量，以幫助保持電路板峰值溫度在可接受的范圍，并提高最大輸出電流。傳統上，這需要一個(gè)外部運算放大器和幾個(gè)電阻器來(lái)實(shí)現，以實(shí)現最佳平衡的電流均分。而 LT3083 可以非常容易和直接地并聯(lián) (即無(wú)需外部運算放大器)，以分散熱量并提供較大的輸出電流，而且其輸出仍然可用單個(gè)電阻器調節。這允許采用 LT3083 實(shí)現全表面貼裝解決方案，而以前在這類(lèi)解決方案中，一度使用開(kāi)關(guān)穩壓器或者因噪聲要求而決定使用配備散熱器的線(xiàn)性穩壓器。直到不久前，表面貼裝 IC 散出有關(guān)的 2W 功率的能力還一直限制著(zhù)大電流輸出?，F在，產(chǎn)生的熱量可以分散在幾個(gè)穩壓器上，從而提供了較大的輸出電流。通過(guò)采用創(chuàng )新性電流基準和跟隨器架構，僅用一小段 PC 走線(xiàn)作為鎮流器，就可以在多個(gè)穩壓器之間實(shí)現準確的電流均分，從而可在全表面貼裝系統中實(shí)現數安培的線(xiàn)性調節，而無(wú)需散熱器，如圖 4 所示。使通路晶體管的集電極可用，可進(jìn)一步增加散熱選擇。功耗可以分散在幾個(gè)穩壓器上，以使系統板上不出現熱點(diǎn)。外部電阻器可用來(lái)以非常低的成本進(jìn)一步分散熱量。這種均分電流和功耗的能力使該穩壓器非常適用于不想使用開(kāi)關(guān)穩壓器的電路板電源。

　　圖 4：LT3083 并聯(lián)方案提供 6A 輸出電流，且無(wú)需散熱器

　　結論

　　傳統上，面向大電流應用的多軌、表面貼裝 PCB 系統布滿(mǎn)了采用功率封裝和散熱器的線(xiàn)性穩壓器，從而增大了尺寸、復雜性和成本，或者布滿(mǎn)了開(kāi)關(guān)穩壓器?，F在，一種新的線(xiàn)性低壓差穩壓器已上市，該穩壓器繼續發(fā)揚了凌力爾特 LT3080 系列的優(yōu)良傳統，那就是 3A LT3083。LT3083 憑借基于電流的基準架構和大的輸出電流，解決了通常與這類(lèi)設計有關(guān)的多種問(wèn)題，包括局部熱量過(guò)高、散熱器和過(guò)多的導線(xiàn)、以及大量無(wú)源組件的問(wèn)題。這個(gè)創(chuàng )新性 IC 通過(guò)直接并聯(lián)，能提供幾乎無(wú)限的輸出電流，從而無(wú)需散熱器就能分散 PCB 的熱量，而且可用單個(gè)電阻器穩定 VOUT 并將輸出電壓調節至 0V，在實(shí)現所有這一切的同時(shí)，產(chǎn)生的輸出噪聲也很低。