穩(wěn)壓器可調(diào)節(jié)電壓，但還能做很多其他的事情。自 1976 年三端浮動(dòng)穩(wěn)壓器問(wèn)世以來(lái)，線性穩(wěn)壓器的架構(gòu)幾乎就沒(méi)有改變過(guò)。穩(wěn)壓器要么是一種浮動(dòng)架構(gòu) (LT317)，要么就是一種具有從輸出至放大器之反饋的放大器環(huán)路。這兩種架構(gòu)在通用性、調(diào)節(jié)性能和準(zhǔn)確度方面存在局限性。
反饋電阻器負(fù)責(zé)設(shè)定輸出電壓并對(duì)進(jìn)入放大器的反饋信號(hào)進(jìn)行衰減。因此，輸出端上的穩(wěn)壓是輸出電壓的一個(gè)百分?jǐn)?shù)，于是，雖然百分?jǐn)?shù)值上可能是相同，但較高輸出電壓的穩(wěn)壓 (單位：V) 卻較差。而且，穩(wěn)壓器的帶寬也會(huì)隨著電壓的變化而改變。由于環(huán)路增益下降，因此在較高的輸出電壓條件下帶寬也將減小。當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，這會(huì)減緩瞬態(tài)響應(yīng)速度并使紋波性能變差。
老式穩(wěn)壓器固定了電流限值，沒(méi)有調(diào)節(jié)的余地。其內(nèi)置于 IC 之中，對(duì)于不同的輸出電流必須采用不同的器件。所以，如果電流限值必需與應(yīng)用相匹配或需要準(zhǔn)確的電流限值，就必須使用一個(gè)外部電路。圖 1a 示出了老式穩(wěn)壓器的基本架構(gòu)。
2007 年，在 LT3080 中引入了一種新型架構(gòu)。該器件采用一個(gè)電流源作為基準(zhǔn)，并使用一個(gè)電壓跟隨器作為輸出放大器。這種架構(gòu)的兩個(gè)優(yōu)勢(shì)是：可并聯(lián)多個(gè)穩(wěn)壓器以提供更高的輸出電流；穩(wěn)壓器能在輸出電壓低至零的條件下運(yùn)作。由于輸出放大器始終以單位增益工作，因此帶寬是恒定的，穩(wěn)壓也是恒定的。瞬態(tài)響應(yīng)與輸出電壓無(wú)關(guān)，而且可采用 mV (而不是輸出的一個(gè)百分?jǐn)?shù)) 來(lái)規(guī)定穩(wěn)壓。圖 1b 示出了新型穩(wěn)壓器架構(gòu)。
圖 1a：老式穩(wěn)壓器
圖 1b：新型架構(gòu)穩(wěn)壓器
表 1 羅列了新型穩(wěn)壓器及其主要特性。伴隨著不同的輸出電流，這些穩(wěn)壓器進(jìn)行了特別的設(shè)計(jì)，以在現(xiàn)有的穩(wěn)壓器中增添以前無(wú)法提供的功能特性。包括了用于溫度和電流的監(jiān)視器輸出以及電流限值的外部控制。有一款器件 (LT3086) 還具備熱停機(jī)的外部控制能力。一種新型負(fù)穩(wěn)壓器提供了監(jiān)視功能，并能充當(dāng)一個(gè)浮動(dòng)穩(wěn)壓器或 LDO。所有這些新型穩(wěn)壓器均可通過(guò)并聯(lián)以提供較高的電流、均流和散熱。
一款新型工業(yè)穩(wěn)壓器
LT3081 是一款具有寬安全工作區(qū)的工業(yè)穩(wěn)壓器。其能提供 1.5A 輸出電流、輸出電壓可調(diào)節(jié)至零、具備反向保護(hù)功能并擁有用于溫度和輸出電流的監(jiān)視器輸出。此外，還可通過(guò)連接一個(gè)外部電阻器至該器件來(lái)調(diào)節(jié)電流限值。圖 2 示出了 LT3081 的基本連接。
圖 2：采用 LT3081 的基本穩(wěn)壓器
溫度和電流監(jiān)視器輸出采用電流源配置，以在 VOUT + 0.4V 至 VOUT – 40V 的范圍內(nèi)運(yùn)作。溫度輸出為 1μA/°C，而電流監(jiān)視器輸出為 IOUT/5000。這些電流源是通過(guò)將一個(gè)電阻器與電流源串聯(lián)接地并在電阻器兩端讀取參數(shù)進(jìn)行測(cè)量的。電流源具有一個(gè) -40V 至 0.4V (參考于輸出) 的范圍，而且即使在輸出短路的情況下其仍將繼續(xù)工作。監(jiān)視器輸出的動(dòng)態(tài)范圍比輸出高 400mV，因此當(dāng)輸出短路或被設(shè)定為零時(shí)，仍然能夠測(cè)量溫度和電流。采用一個(gè) 1k 電阻器可提供足夠的裕量，并在輸出短路時(shí)確保操作的正常進(jìn)行。
輸出利用一個(gè)連接在 SET 引腳和地之間的電阻器和一個(gè) 50μA 精準(zhǔn)電流源來(lái)設(shè)定。內(nèi)部跟蹤放大器強(qiáng)制輸出電壓與 SET 引腳電壓相等。LT3081 的獨(dú)特之處在于輸出電容器是可任選的。穩(wěn)壓器可在采用或未采用輸入和輸出電容器的情況下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定。所有的內(nèi)部工作電流都流過(guò)輸出引腳，并需要最小負(fù)載以保持調(diào)節(jié)作用。這里，在所有的輸出電壓下均需要一個(gè) 5mA 的負(fù)載，以把器件保持于全面調(diào)節(jié)狀態(tài)。
設(shè)定電阻器會(huì)增加系統(tǒng)溫度漂移。市售的表面貼裝電阻器具有各種各樣的溫度系數(shù)。視制造商的不同，這些溫度系數(shù)低的在 100ppm，高的則超過(guò) 500ppm。雖然電阻器不會(huì)因?yàn)榉�(wěn)壓器中的功率耗散而被加熱，但是在很寬的環(huán)境溫度范圍內(nèi)其溫度系數(shù)則會(huì)使輸出產(chǎn)生 1% 至 4% 的變化。對(duì)于高精度應(yīng)用，可使用具較低溫度系數(shù)的薄膜電阻器。
采用內(nèi)部的真正電流源作為基準(zhǔn) (而不像先前的穩(wěn)壓器那樣采用自舉基準(zhǔn)) 的好處并不是那么明顯的。真正的基準(zhǔn)電流源可使穩(wěn)壓器具有與正輸入端上的阻抗無(wú)關(guān)的增益和頻率響應(yīng)。就此前推出的所有可調(diào)穩(wěn)壓器 (例如：LT1086) 而言，其環(huán)路增益和帶寬都會(huì)隨著輸出電壓的變化而改變。假如調(diào)節(jié)引腳被旁路至地，那么帶寬也會(huì)發(fā)生變化。對(duì)于 LT3081 來(lái)說(shuō)，環(huán)路增益不會(huì)因輸出電壓的變化或者調(diào)節(jié)引腳的旁路而改變。輸出穩(wěn)壓不是輸出電壓的一個(gè)固定百分?jǐn)?shù)，而是一個(gè)固定的 mV 數(shù)值。使用一個(gè)真正的電流源可允許緩沖放大器中的所有增益提供穩(wěn)壓，而且將基準(zhǔn)放大至一個(gè)較高的輸出電壓不需要其中的任何增益。
工業(yè)應(yīng)用需要很大的安全工作區(qū)。安全工作區(qū)反映的是在輸入-輸出電壓差很高的情況下傳輸大電流的能力。圖 3 比較了幾個(gè)穩(wěn)壓器的安全工作區(qū)。上世紀(jì) 80 年代中期推出的 LT1086 是一款 1.5A 穩(wěn)壓器，當(dāng)輸入 / 輸出電壓差高于 20V 時(shí)其輸出電流將降至非常低的水平。在輸入 / 輸出電壓差高于 20V 的情況下，只能提供大約 100mA 的輸出電流。倘若負(fù)載電流高于 100mA，則這會(huì)導(dǎo)致輸出電壓變至未調(diào)節(jié)狀態(tài)，而且輸入端上的瞬變將致使高電壓電流限值被超過(guò)。LT1963A 是一款低壓差穩(wěn)壓器，其同樣具有一個(gè)有限的安全工作區(qū)。LT3081 擴(kuò)展了安全工作區(qū)，在電壓差為 25V 的情況下可提供約 1A 的輸出電流。即使輸入 / 輸出電壓差高于 25V，可用的輸出電流仍然達(dá)到 500mA。這允許穩(wěn)壓器在那些操作期間有可能施加寬變化范圍輸入電壓的應(yīng)用中使用。給 PNP 傳輸器件采用一種大型結(jié)構(gòu)可獲得寬的安全工作區(qū)。另外，還為 LT3081 (以及負(fù)載) 提供了針對(duì)反向輸入電壓的保護(hù)。
圖 3：安全工作區(qū)性能的比較
圖 4 示出了 LT3081 的方框圖。有三個(gè)電流源，其中的兩個(gè)負(fù)責(zé)報(bào)告輸出電流和溫度。第三個(gè)電流源則用于提供 50μA 基準(zhǔn)電流。LT3081 雖然并非低壓差穩(wěn)壓器，但可在器件兩端電壓低至 1.2V 的情況下運(yùn)作，該性能略?xún)?yōu)于諸如 LT1086 等老款器件。內(nèi)部放大器配置與經(jīng)過(guò)良好調(diào)節(jié)的內(nèi)部偏置電源相結(jié)合，使得器件可在未采用外部電容器時(shí)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定。一項(xiàng)告誡：其無(wú)法以容許輸入和負(fù)載中所有可能的阻抗為目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此重要的是在實(shí)際使用的系統(tǒng)中測(cè)試穩(wěn)定性。如果發(fā)現(xiàn)存在不穩(wěn)定性，則布設(shè)外部電容器可確保器件在所有輸出電流條件下均保持穩(wěn)定。另外，外部電容器還能改善瞬態(tài)響應(yīng)，因?yàn)槠洳辉偈芟抻趦?nèi)部放大器的帶寬。
圖 4：LT3081 的方框圖
對(duì)于此類(lèi)新型電流源基準(zhǔn)穩(wěn)壓器而言，器件的并聯(lián)是很容易的，而對(duì)于過(guò)去的穩(wěn)壓器來(lái)說(shuō)這種做法則是不允許的，因?yàn)樗鼈儾荒芫鳌Ｆ骷⒙?lián)適用于增加輸出電流或散熱。由于其被配置為一個(gè)電壓跟隨器，因此把所有的 SET 引腳連接在一起可使輸出具有相同的電壓。如果輸出處于相同的電壓，則只需采用幾 mΩ 的鎮(zhèn)流器即可對(duì)這些器件進(jìn)行鎮(zhèn)流，并使它們能夠均流。
圖 5 示出了 LT3081 的失調(diào)電壓分布情況。分布全部位于 1mV 之內(nèi)以確保均流準(zhǔn)確度達(dá) 10%；采用 10mΩ 的鎮(zhèn)流電阻便綽綽有余了。鎮(zhèn)流電阻器可以是 PC 板上長(zhǎng)度不到 1 英寸的印制線，或者是一小段導(dǎo)線，并利用并聯(lián)器件提供了優(yōu)良的電流匹配。即使在 1V 輸出下，由此造成的穩(wěn)壓性能下降也僅有 1.5% 左右。表 2 列出了 PC 板電阻。
圖 5：失調(diào)電壓
走線電阻以 mΩ/英寸為單位來(lái)表示。
圖 6 示出了通過(guò)并聯(lián)兩個(gè) LT3081 以獲得 3A 輸出的電路原理圖。此時(shí)，設(shè)定電阻器中流過(guò)的設(shè)定電流增加了 x2，因此輸出為 100μA x RSET，而且 10mΩ 的鎮(zhèn)流電阻器可在滿(mǎn)電流時(shí)確保鎮(zhèn)流作用�？梢酝ㄟ^(guò)并聯(lián)任意數(shù)目的器件來(lái)提供更高的電流�？砂� ILIM 引腳并聯(lián)起來(lái) (如果采用的話(huà))，因此一個(gè)電阻器設(shè)定了電流限值。
圖 6：將器件并聯(lián)
圖 7 示出了將 LT3081 與一個(gè)固定穩(wěn)壓器相并聯(lián)的情形。當(dāng)系統(tǒng)的可用輸出電流設(shè)計(jì)值不足時(shí)，這種做法很有用。它提供了一種增加輸出電流的應(yīng)急方法。分壓器僅使固定器件的輸出電壓下降幾個(gè) mV。LT3081 的 SET 引腳連接至比固定輸出低大約 4mV 的電壓。這可確保在無(wú)負(fù)載情況下不會(huì)有電流從 LT3081 流出。此外，20mΩ 的電阻器提供了用于克服該失調(diào)的充分鎮(zhèn)流，并在較高的輸出電流條件下確保了電流匹配。
圖 7：增加固定穩(wěn)壓器的輸出電流
當(dāng)布設(shè)了用于生成基準(zhǔn)電壓的 50μA 電流源時(shí)，位于該電流源和 SET 引腳之間的漏電路徑會(huì)在基準(zhǔn)和輸出電壓中產(chǎn)生誤差。需要對(duì)所有的絕緣表面進(jìn)行清潔以去除焊劑和其他殘留物。表面涂層也許是必不可少的，用于在高濕度環(huán)境中提供一個(gè)防潮層。通過(guò)采用一個(gè)連接至 OUT 引腳的保護(hù)環(huán)將 SET 引腳和電路圍繞起來(lái)，可最大限度地減少電路板漏電。另外，按圖所示增大 SET 電流也可降低寄生漏電的影響。
在某些應(yīng)用中，50μA 的低 SET 電流會(huì)引起問(wèn)題。高阻值薄膜電位器的穩(wěn)定性不如阻值較低的線繞電位器。電路板漏電也會(huì)在輸出中引起不穩(wěn)定。通過(guò)把 SET 電流增加至高于 50μA 的標(biāo)稱(chēng)值，可盡量減少問(wèn)題的發(fā)生。圖 8 示出了一款采用較低阻值設(shè)定電阻器的解決方案。這里，通過(guò) R2 產(chǎn)生了一個(gè)增大的電流并與 SET 引腳電流相加，從而提供一個(gè)用于調(diào)節(jié)輸出的大得多之電流。SET 電流流經(jīng)一個(gè) 4k 電阻器，在 R1 的兩端產(chǎn)生 200mV。接著，流過(guò) R2 的電流加入 SET 引腳電流，提供了一個(gè)流經(jīng) ISET 至地的 1.05mA 總電流。這降低了電壓對(duì)于 REST 周?chē)╇娏鞯拿舾行浴?yīng)謹(jǐn)慎地以開(kāi)爾文 (Kelvin) 方式將 R2 直接連接至輸出。從輸出至 R2 的電壓降將影響穩(wěn)壓。另一種配置將 LT3092 用作一個(gè) 1mA 的外部電流源。這提供了增大的 SET 電流，并允許把輸出調(diào)低至零。
圖 8：采用一個(gè)阻值較低的設(shè)定電阻器
圖 9 示出了采用一個(gè) LT3092 電流源來(lái)給 LT3081 提供電流基準(zhǔn)的情形。生成的 1mA 基準(zhǔn)電流允許調(diào)節(jié)設(shè)定電阻器的阻值大幅降低，同時(shí)仍然可將器件的輸出調(diào)低至零。
圖 9：采用一個(gè)外部基準(zhǔn)電路
如圖 10 所示，可采用電流監(jiān)視器輸出來(lái)補(bǔ)償線路壓降。通過(guò)設(shè)定電阻器的一部分向電流監(jiān)視器饋電可在 SET 引腳上產(chǎn)生一個(gè)電壓，該引腳提升電壓的幅度與電流之間存在某種函數(shù)關(guān)系。補(bǔ)償電阻器的阻值為 R2 = 5000 • RCABLE(TOTAL) 和 VOUT = 50μA (RSET + RCOMP)。運(yùn)用這種方式可以補(bǔ)償幾 V 的線路壓降。
圖 10：采用電流監(jiān)視器輸出來(lái)補(bǔ)償線路壓降
結(jié)論
與先前的器件相比，新型穩(wěn)壓器針對(duì)負(fù)載和電壓變化提供的調(diào)節(jié)性能提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)。穩(wěn)壓規(guī)格指標(biāo)以及瞬態(tài)響應(yīng)不會(huì)隨輸出而改變。此類(lèi)器件中的新功能提供了溫度和電流監(jiān)視，以及可調(diào)的電流限制。多個(gè)器件的并聯(lián)不再需要外部電流平衡電路，以避免發(fā)生電流擾亂。伴隨著這些改進(jìn)，器件的堅(jiān)固性也有所提高。
新型穩(wěn)壓器可實(shí)現(xiàn)新的應(yīng)用。器件的并聯(lián)輕而易舉，而且可補(bǔ)償線路壓降。電流限值門(mén)限如今由用戶(hù)定義，而且輸出可調(diào)節(jié)至零。擴(kuò)大了穩(wěn)壓器的安全工作區(qū)，以在輸入擺幅較寬的情況下運(yùn)作。
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