一款高效率的線性穩(wěn)壓器

引言

為了滿足穩(wěn)定性及啟動時大的浪涌電流要求，對穩(wěn)壓器的壓降有嚴(yán)格的限制，而且還需配備體積較大、效率較低的輸出電容，因此多年來，在較高電流（超過 1A）的低輸出電壓應(yīng)用中使用線性穩(wěn)壓器一直都是個難題，現(xiàn)在可以利用 TI 的雙輸入軌 TPS74x01 來解決這些問題。

線性穩(wěn)壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)概述

在較高電流應(yīng)用中使用線性穩(wěn)壓器的主要問題在于效率低下，其效率可通過 V_OUT/V_IN 計算得出。線性穩(wěn)壓器中的功率損耗 (P_LOST) 主要來自其封裝，該功率損耗可以通過如下公式計算得出：

TO-263 或 D2PAK 封裝是可用于線性穩(wěn)壓器的最大表面貼裝封裝。如果不計氣流的話，該封裝的最大功耗大約為 2.75W（假設(shè)該封裝與一塊較大的銅板焊接在一起用于散熱）。許多配備了 PMOS 旁路元件的高電流“低壓降”線性穩(wěn)壓器的最小輸入電壓范圍為 2.5V～2.7V，其不但可以為內(nèi)部 LDO 驅(qū)動電路供電，而且還足以驅(qū)動 PMOS FET 來提供較高的輸出電流。

由于額外氣流和/或需要對穩(wěn)壓器所產(chǎn)生的熱量進行外部散熱，因此，在輸出電壓低于 1.8V 和輸出電流大于 2.5A 時使用帶有 PMOS 旁路元件的線性穩(wěn)壓器就會顯得不便，并且成本也會增加。

與類似的額定電流 PMOS FET 相比，NMOS FET 本身具有較低的 r_DS(on)，因此 NMOS FET 旁路元件只需較低的 V_IN-V_OUT 壓降即可提供相同強度的電流。然而，基于 NMOS 的穩(wěn)壓器的源極跟隨器結(jié)構(gòu)要求，FET 柵極電壓至少為一個高于輸出電壓的閾值壓降（通常為 1V）。穩(wěn)壓器需要一個內(nèi)部充電泵來提供更高的柵極驅(qū)動電壓，或一個由電路中現(xiàn)有的 5V 或 3.3V 偏置電源產(chǎn)生的二次低功耗輸入軌，這就是開發(fā)雙輸入軌、基于 NMOS 旁路元件的 TPS74x01 系列線性穩(wěn)壓器的原因。

壓降

如圖 1 所示，TPS74x01 穩(wěn)壓器具有兩個輸入電壓，其中一個用來提供低電流偏置電壓以驅(qū)動控制 NMOS 旁路器件的內(nèi)部電路，另一個用來進行二次功率輸入。由于所有的內(nèi)部電路均使用較高的 BIAS 輸入電壓運行，因此旁路元件可以通過一個低壓輸入電源實現(xiàn)穩(wěn)壓。實際上，輸入功率 IN 只受輸出電壓和器件壓降的限制。

圖 1 TPS74201 和 TPS74401 線性穩(wěn)壓器的結(jié)構(gòu)圖

TPS74x01 有兩種不同的壓降規(guī)范，第一種被稱為 V_IN 壓降，其專門針對那些希望通過使用外部偏置電壓來實現(xiàn)低壓降的用戶。該規(guī)范假設(shè)了 V_BIAS 至少比 V_OUT 高 1.62V。此類應(yīng)用中，FPGA 收發(fā)器一般使用低紋波、1.2V、3A 的電源軌，該收發(fā)器內(nèi)部 1.5V 和3.3V 的開關(guān)電源分別提供輸入電壓和偏置電壓。在此結(jié)構(gòu)中，55℃ 時功耗為 1.9W 的 33mm QFN 封裝功耗僅為 (1.5V-1.2V)3A=0.9W，從而達(dá)到了 1.2V/1.5V=80% 的效率。

第二種規(guī)范被稱為 V_BIAS 壓降，該規(guī)格的壓降專門針對那些希望將 IN 和 BIAS 引腳綁定在一起的用戶。這樣就可將該器件用于無輔助偏置電壓或不要求低壓降的應(yīng)用中。因為 V_BIAS 要為旁路 FET 提供柵極驅(qū)動，所以 V_BIAS 必須要比 V_OUT 高 1.4V，同時壓降受限于應(yīng)用中所使用的 BIAS。例如 TPS74201 可通過一個效率為 66%（3.3V/5V）的 5V 電壓軌提供一個 3.3V、1.0A的軟啟動電源（稍后將作討論），并且功耗為：

（5V-3.3V）1.0A=1.7W

穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)

由于輸出電容與負(fù)載阻抗生成的其中一個控制環(huán)路極點的頻率位置會隨著輸出電流的變化而變化，到目前為止，線性穩(wěn)壓器環(huán)路穩(wěn)定性對模擬 IC 設(shè)計人員而言還是一個難題。在源跟隨器結(jié)構(gòu)中，具有 NMOS 旁路元件的穩(wěn)壓器更易于實現(xiàn)功率補償，因為在共源結(jié)構(gòu)中，其輸出阻抗低于相近功率的PMOS穩(wěn)壓器。這就意味著 NMOS 穩(wěn)壓器的移動極點頻率高于同類額定功率 PMOS，即遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于內(nèi)部誤差放大器極點。確保穩(wěn)定性的傳統(tǒng)方法，一是在低頻下逐步減少控制環(huán)路的響應(yīng)，從而減少瞬態(tài)響應(yīng)；二是利用具有若干等效串聯(lián)電阻 (ESR) 的輸出電容產(chǎn)生的零電位抵消移動極點。采用專利反饋控制拓?fù)浼夹g(shù)的 TPS74x01 系列的 V_BIAS 為 3.3V、V_IN 為 1.8V 并且 V_OUT 為 1.5V，無需輸出電容即可實現(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng)（請參見圖 2），同時在與具有 ESR 的較大電容共同工作時仍然能保持穩(wěn)定。在負(fù)載瞬態(tài)之后沒有輸出電壓振鈴，這表明穩(wěn)壓器在沒有輸出電容的情況下非常穩(wěn)定。

圖 2 采用各種輸出電容時的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

由于 TPS74x01 系列產(chǎn)品在沒有輸出電容的情況下比較穩(wěn)定，且瞬態(tài)響應(yīng)比較快，該功率器件的本地旁路電容可以滿足許多 FPGA 以及 DSP 的要求。因此，由于不再需要用于電源軌的大型電容器，從而降低了解決方案的總成本。

軟啟動和排序

許多傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器啟動速度均較快，這是因為其反饋環(huán)路可以感應(yīng)到低輸出電壓并開啟旁路 FET。對于某些應(yīng)用而言，快速啟動是必要的，但是這樣的快速啟動會引起較大的浪涌電流（浪涌電流甚至達(dá)到了該器件的額定電流極限值），并對輸出電容進行充電。該高電流可能會破壞輸入電源總線，并且會導(dǎo)致一些系統(tǒng)級故障。為了實現(xiàn)可減少啟動過程中的峰值浪涌電流并最小化輸入電源總線監(jiān)控的啟動瞬態(tài)的線性、單調(diào)的軟啟動，TPS74201 和 TPS74401 誤差放大器將對外部軟啟動電容的電壓斜坡值進行跟蹤，直到電容器電壓超過內(nèi)部參考電壓。軟啟動斜坡時間取決于軟啟動充電電流 (I_SS)、軟啟動電容 (C_SS) 以及內(nèi)部參考電壓 (V_REF)，其計算公式如下：

需要注意的是，由于軟啟動是壓控的，所以啟動與輸出負(fù)載無關(guān)。

TPS74301 版本采用 TRACK 引腳，而不是 SS 引腳。如圖 3 所示，在一個連接至 TRACK 的外部電源，使用一個電阻分壓器中心抽頭，TPS74301 的輸出電壓將跟蹤外部電源直至 TRACK 電壓達(dá)到 0.8V。該特性可用于實施同步或比例排序。該特性還有助于最小化 ESD 結(jié)構(gòu)中 Core 和許多處理器 I/O 電源引腳和/或管理集成上電復(fù)位電路之間的應(yīng)力。通過將集成的 PG 信號連接至跟隨電源的 EN 引腳，所有 TPS74x01 系列產(chǎn)品均可簡化順序排序的實施。

圖 3 采用 TRACK 引腳的各種排序方法

結(jié)論

TPS74x01 系列產(chǎn)品均帶有一個雙輸入軌并具有低壓降的特點，該系列產(chǎn)品使線性穩(wěn)壓器比開關(guān)穩(wěn)壓器更勝一籌，其不但能夠減小電路板的尺寸并降低成本，還可以高效地提供許多較低電壓和更高輸出電流的電源軌。該系列產(chǎn)品還擁有其他的一些特性，其中包括可控軟啟動、跟蹤和集成 PG，可以處理過去一直困擾線性穩(wěn)壓器的啟動問題。再加上可最少化輸出電容總數(shù)量的快速瞬態(tài)響應(yīng)等特性，該器件可幫助您擁有近乎理想的DC/DC 轉(zhuǎn)換器。