提高極低壓差穩(wěn)壓器輸出電流，用并聯(lián)實現(xiàn)均勻散熱

簡介

本文引用地址：http://2s4d.com/article/202003/410449.htm

每一代新的計算系統(tǒng)總是比上一代產(chǎn)品要求更高的總功率和更低的電源電壓，從而使電源設(shè)計人員面臨在更小面積上保持更高輸出電流的難題。在高功率密度和低輸出電壓條件下，散熱問題上升為首要設(shè)計考慮因素，尤其是對于低噪聲應(yīng)用中的線性穩(wěn)壓器而言。并聯(lián)LDO穩(wěn)壓器可以提高電源電流并減少散熱，從而降低任何特定元件的溫升幅度以及所需的散熱器件尺寸和數(shù)量。

本文說明如何將3 A LT3033極低壓差穩(wěn)壓器(VLDO)并聯(lián)產(chǎn)生3 A以上電流并改善散熱情況。利用LT3033的內(nèi)置輸出電流監(jiān)測功能可以簡化并聯(lián)電路的設(shè)計，實現(xiàn)均流。

LT3033的輸入電壓范圍是1.14 V至10 V， 輸出電壓可低至0.2 V，負(fù)載電流可達(dá)3 A。在滿負(fù)載時的壓差僅95 mV。工作時靜態(tài)電流為1.8 mA，關(guān)斷時降至22μA?？捎捎脩粼O(shè)定的限流功能和熱保護(hù)使其具有高電流、低電壓應(yīng)用所必需的魯棒性。

參考設(shè)計：3 A、單VLDO應(yīng)用

圖1顯示LT3033通過1.2V輸入電源提供0.9V、3A的輸出。IN和OUT引腳需要至少10 μF的極低ESR陶瓷電容，以保持穩(wěn)定性。在V_OUT和ADJ引腳之間增加一個前饋電容(C_FF)，可改善瞬態(tài)響應(yīng)并降低輸出電壓噪聲。在REF/BYP引腳到GND之間設(shè)置10 nF旁路電容通?？稍?0 Hz至100 kHz帶寬內(nèi)將輸出電壓噪聲降至60 μV rms，并軟啟動基準(zhǔn)電壓源。調(diào)節(jié)所需的最小輸入電壓等于調(diào)節(jié)輸出電壓V_OUT加上壓差或1.14 V，取其較大值。演示板見圖2。

圖1.LT3033典型應(yīng)用。

圖2.LT3033演示板。

客戶可以通過在ILIM引腳與GND之間連接一個電阻自行設(shè)定限流值，在寬溫度范圍內(nèi)精度可達(dá)±12%。當(dāng)輸入與輸出的差分電壓超過5 V時，具有折返功能的內(nèi)部限流會替代外部限流。

LT3033通過測量IMON到GND的電阻電壓來實現(xiàn)輸出電流監(jiān)測。IMON引腳是芯片內(nèi)部PNP的集電極，它以1:2650的比率鏡像LT3033輸出PNP的電流。當(dāng)電阻電壓不高于V_OUT–400 mV時，它與輸出電流成正比。

該輸出電流監(jiān)測功能有助于實現(xiàn)多個LT3033的均流。

盡管LT3033的尺寸很小，但它仍然集成了許多保護(hù)功能，包括具有折返功能的內(nèi)部限流、熱限制、反向電流和電池反接保護(hù)。

兩個LT3033并聯(lián)用于6 A應(yīng)用

對于需要3 A以上電流的應(yīng)用，可以利用其電流監(jiān)測功能將多個LT3033并聯(lián)。圖3顯示兩個LT3033以及兩個2N3904 NPN器件通過并聯(lián)，以產(chǎn)生1.5 V、6 A輸出。每個器件的IN引腳和OUT引腳分別相連。一個LT3033充當(dāng)主器件，控制另一個LT3033從器件。

將IMON引腳與NPN電流鏡組合使用，可創(chuàng)建一個簡單的放大器。該放大器將電流注入LT3033從器件的反饋分壓器中，強(qiáng)制使每個LT3033的IMON電流相等。100 Ω電阻可在滿負(fù)載條件下提供113 mV的發(fā)射極負(fù)反饋，以確保良好的電流鏡匹配。LT3033從器件的輸出電壓設(shè)置為1.35 V，比電路輸出低10％，以確保LT3033主器件掌握控制權(quán)。LT3033從器件的反饋電阻拆分成多個區(qū)段，以確保為從器件的NPN提供足夠的裕量。從器件的IMON引腳上添加了一個10 nF電容和5.1 kΩ電阻的組合，對反饋環(huán)路進(jìn)行頻率補(bǔ)償。

盡管該電路可以提供6 A的負(fù)載電流，但由于兩個NPN器件之間的失配導(dǎo)致電路板上熱量分布不均勻，從而限制了均流精度。使用匹配的單芯片晶體管（例如，ADI公司的MAT14）來代替兩個分立式NPN器件，可以獲得更高的均流精度。MAT14是一款四通道單芯片NPN晶體管，具有出色的參數(shù)匹配性能。其最大電流增益匹配為4%。

圖4比較了使用分立式和匹配的NPN器件時每個LDO穩(wěn)壓器的相應(yīng)輸出電流。與2N3904相比，MAT14電流鏡的電流失配率從5.3%降至1.6%。

圖3.兩個LT3033并聯(lián)。

圖4.通過使用匹配的MAT14單芯片四通道三極管和并聯(lián)LDO穩(wěn)壓器，降低了均流失配。

圖5.采用MAT14，四個LT3033并聯(lián)。

圖6.四個LT3033并聯(lián)時的熱性能。

使用匹配元件并聯(lián)四個LT3033，以實現(xiàn)平衡均流和均勻散熱

通過擴(kuò)展電流鏡和添加LT3033從器件，該并行電路架構(gòu)可根據(jù)需要擴(kuò)展，使用更多LT3033。圖5顯示使用MAT14、四個LT3033并聯(lián)的均流解決方案。熱性能如圖6所示。四個LT3033的溫度在51°C至58°C范圍內(nèi)。考慮每個器件沿輸入走線的壓降，電路板上散熱均勻，表明該解決方案實現(xiàn)了平衡均流。圖7顯示在1.8 V輸入下運行提供1.5 V輸出、12 A電源的瞬態(tài)響應(yīng)。

圖7.四個LT3033并聯(lián)的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。

結(jié)論

LT3033是一款3A VLDO穩(wěn)壓器，采用3 mm × 4 mm封裝。其內(nèi)置輸出電流監(jiān)測功能，將多個LT3033 VLDO穩(wěn)壓器并聯(lián)即可用于大電流應(yīng)用。LT3033在滿負(fù)載條件下的典型壓差僅為95 mV，非常適合低輸入電壓至低輸出電壓的大電流應(yīng)用，與開關(guān)穩(wěn)壓器的電效率相當(dāng)。其他特性包括可設(shè)定限流、電源良好標(biāo)志和熱限制，可提供可靠和穩(wěn)定的解決方案。電池供電系統(tǒng)可受益于低靜態(tài)電流和電池反接保護(hù)。

作者簡介

Huiyu (Molly) Zhu是ADI公司Power by Linear部門的高級應(yīng)用工程師。她于1998和2000年分別獲得清華大學(xué)電子工程學(xué)士學(xué)位和碩士學(xué)位，并于2005年獲得弗吉尼亞理工學(xué)院暨州立大學(xué)（位于弗吉尼亞州布萊克斯堡）電氣工程博士學(xué)位。Fei Guo是ADI公司的現(xiàn)場應(yīng)用工程師，負(fù)責(zé)舊金山灣區(qū)的市場支持。他曾擔(dān)任ADI公司高級應(yīng)用工程師，負(fù)責(zé)隔離電源轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品線支持。Fei擁有圣塔克拉拉大學(xué)電氣工程碩士學(xué)位。他負(fù)責(zé)儀器儀表、汽車、工業(yè)和通信產(chǎn)品的電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計。Fei的愛好包括高保真音響、攝影以及與他的兩個孩子一起玩樂。