如何為衛星應用選擇合適的LDO

耐輻射低壓降穩壓器 (LDO) 是許多航天級子系統（包括現場(chǎng)可編程門(mén)陣列 (FPGA)、數據轉換器和模擬電路）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，如何為子系統選擇合適的耐輻射器件呢？讓我們看看一些設計規格和器件特性，以幫助您做出這個(gè)決定。

航天級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 停止調節輸出電壓。壓降規格越小，能夠實(shí)現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)勢在更高的電流下會(huì )變得更加顯著(zhù)，如公式 1 所示：

LDO 功率耗散 = (V_IN-V_OUT)xI_OUT   (1)

在耐輻射方面，很難找到在輻射、溫度和老化方面提供強大性能的真正低壓降穩壓器。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。如果您有標準的 5V、3.3V、2.5V 或 1.8V 電源軌可用，該LDO 可以將輸出電壓調低至 0.8V 以提供任何所需的電壓，以及一個(gè)或多個(gè)航天級模數轉換器 (ADC) 或時(shí)鐘所需的電流。

航天級LDO的噪聲性能

隨著(zhù)衛星在太空中運行10年或更長(cháng)時(shí)間，使機載集成電路充分發(fā)揮性能有助于確保設計壽命。為了向高性能時(shí)鐘、數據轉換器、數字信號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)生超小的內部噪聲。由于不容易濾除內部產(chǎn)生的 1/f 噪聲，因此應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，請參閱下面的圖1。

圖1 TPS7H1101A-SP噪聲

航天級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。對于高端 ADC，為了更大限度地減少位錯誤，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，設計人員需要使用外部元件來(lái)濾除噪聲，從而達到可接受的有效 PSRR，但會(huì )增加解決方案尺寸 – 這對于航天應用而言是一個(gè)明顯的問(wèn)題，因為尺寸和重量會(huì )直接影響衛星發(fā)射成本。在上游電源的開(kāi)關(guān)頻率下，需要特別注意 PSRR（因為在該頻率下存在電壓紋波）。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)現耐輻射 LDO 性能不可或缺的幾項出色特性。

●   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，該特性對于節省整體功率預算而言至關(guān)重要。使能引腳對于上電時(shí)序而言也很重要，而新一代 FPGA 對上電時(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)特性可調節啟動(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 FPGA 對每個(gè)電源軌都有嚴格的輸入電壓容差要求，以實(shí)現最佳性能。為確保您的設計在輻射暴露和壽命終止條件下滿(mǎn)足嚴格的精度要求，請采用 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 的外部元件數量，實(shí)現更多集成功能、更好的 PSRR 和噪聲規格，以及在單粒子效應下實(shí)現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。

結語(yǔ)

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