负线性稳压器在 1 MHz 下具有 0.8 μV RMS 噪声和 74 dB 电源抑制比

2020-11-19 13:48:24 ADI

低压差 (LDO) 线性稳压器广泛应用于噪声敏感型应用已有数十年了。然而，随着最新的精密传感器、高速和高分辨率数据转换器 (ADC 和 DAC) 以及频率合成器 (PLL/VCO) 不断向传统的 LDO 稳压器提出挑战，以产生超低输出噪声和超高电源纹波抑制 (PSRR)，噪声要求变得越来越难以满足。例如，在为传感器供电时，电源噪声会直接影响测量结果的准确性。开关稳压器通常用于配电系统，以实现更高的整体系统效率。为了构建低噪声电源，LDO 稳压器通常会对噪声相对较高的开关转换器的输出进行后级调节，而无需使用庞大的输出滤波电容。LDO 稳压器的高频 PSRR 性能变得至关重要。

2015 年推出的 LT3042 是业界首款在 1 MHz 下仅有 0.8 μV rms 输出噪声和 79 dB PSRR 的线性稳压器。两款类似的器件 LT3045 和 LT3045-1 可提供更高的额定值和附加功能。所有这些器件都是正 LDO 稳压器。当系统具有双极性器件 (例如运算放大器或 ADC) 时，必须在极性电源设计中使用负 LDO 稳压器。LT3094 是首款具有超低输出噪声和超高 PSRR 的负 LDO 稳压器。表 1 列出了 LT3094 及相关器件的主要特性。

典型应用

LT3094 具有精密电流源基准，后接高性能输出缓冲器。负输出电压可通过流过单个电阻的 -100 µA 精密电流源进行设置。这种基于电流基准的架构可提供宽输出电压范围 (0 V 至 -19.5 V)，并提供几乎恒定的输出噪声、PSRR 和负载调节，与设置的输出电压无关。图 1 显示了一个典型应用，演示板如图 2 所示。整体解决方案尺寸大约仅为 10 mm × 10 mm。

图 1.−3.3 V 输出低噪声解决方案

图 2.演示电路显示了一个 -3.3 V 微型解决方案

表 1.LT3094 和低噪声 LDO 的特性

	LT3015	LT3090	LT3042	LT3045-1	LT3094
正/负输出	负	负	正	正	负
输出电流 (A)	1.5	0.6	0.2	0.5	0.5
输出噪声 (10 Hz 至 100 kHz) (µV)	60	18	0.8	0.8	0.8
10 kHz 时的点噪声 (nV/√Hz)	240	57	2	2	2
1 MHz 时的 PSRR (dB)	30	20	79	76	74
可编程电流限制		•	•	•	•
Programmable Power Good 可编程电源良好			•	•	•
VIOC				•	•
可直接并联		•	•	•	•
快速启动功能			•	•	•

LT3094 具有超低输出噪声，在 10 Hz 至 100 kHz 范围内为 0.8 µV rms，并且在 1 MHz 时具有 74 dB 超高 PSRR。此外，LT3094 具有可编程电流限制、可编程电源良好阈值、快速启动功能和可编程输入至输出电压控制 (VIOC)。当 LT3094 对开关转换器进行后级调节时，如果 LDO 稳压器输出电压可变，LDO 稳压器两端的电压将通过 VIOC 功能保持恒定。

LT3094 通过内部保护功能避免器件损坏，包括具有折返功能的内部限流、热限制、反向电流和反向电压保护。

直接并联实现更高的电流

LT3094 可以轻松并联以增加输出电流。图 3 显示了使用两个并联的 LT3094 实现 1A 输出电流的解决方案。为了使两个器件并联，将 SET 引脚连接在一起，并在 SET 引脚和地之间放置一个 SET 电阻 RSET。流过 RSET 的电流为 200 µA，是单个器件中 SET 电流量的两倍。为了获得良好的均流特性，LT3094 的每个输出都使用一个 20 mΩ 的小镇流电阻。

图 3.两个并联 LT3094 的原理图

图 4 显示了图 3 中电路的热性能，其中输入电压为 −5 V，输出电压为 −3.3 V，运行于 1A 负载电流下。每个器件的温度大约升至 50℃，表明热量均匀分布。对于更高输出电流和更低输出噪声，可以并联的器件数量没有限制。

图 4.两个并联 LT3094 的热图像

具有可变输出电压的正负双电源

电源通常配置由 LDO 稳压器进行后级调节的开关转换器，以实现低输出噪声和高系统效率。为了在功耗和 PSRR 之间保持适当的权衡，LDO 稳压器的输入和输出之间的优化电压差约为 -1 V。在可变输出电压系统中保持这种电压差很复杂，但 LT3094 具有跟踪功能 VIOC，即使输出电压变化，它也能在 LDO 稳压器两端保持电压恒定。
图 5 是使用 LT8582、LT3045-1 和 LT3094 的双电源原理图。LT8582 是一款具有内置开关的双通道 PWM DC/DC 转换器，能够从单个输入产生正输出和负输出。LT8582 的第一个通道配置为 SEPIC 用于产生正输出，第二个通道是反相转换器用于产生负电源轨。在负电源轨中，LT3094 两端的电压由 VIOC 电压控制
(1)

其中 VFBX2 为 0 mV，IFBX 为 83.3 µA。将 R2 设置为 14.7 kΩ，则对于可变输出电压可将 VIOC 电压设置为 1.23 V。电阻 R1 为 133 kΩ 时，将 LT3094 的输入电压限制为 16.5 V，则计算如下
(2)

电路在 12 V 输入下运行的热图像如图 6 所示。当输出电压从 ±3.3 V 变化至 ±12 V 时，LT3094 的温升保持不变。表 2 列出了所有三款器件的电压和电流。图 7 显示了在 12 V 输入下的 ±5 V 电源瞬态响应。

在图 5 中，除了 LT8582 的输出电容之外，在 LT3094 的输入端未放置额外电容。通常，输入电容会降低输出纹波，但对 LT3094 来说并非如此。如果 LT3094 具有输入电容，则开关转换器的开关电流将流过输入电容，从而导致开关转换器与 LT3094 输出的电磁耦合。输出噪声会增加，从而使 PSRR 降低。如果开关稳压器位于具 LT3094 两英寸的范围以内，为了获得最佳的 PSRR 性能，我们建议不要在 LT3094 的输入端放置电容。

图 5.可调节的双输出正/负电源具有高纹波抑制和低温运行性能

图 6.12 V 输入下的双电源热图像

图 7：12 V 输入、±5 V 输出下的双电源瞬态响应

表 2.12 V 输入、±500 mA 负载下的双输出正/负电源的电路性能

VLDO(OUT) (V)	VLDO(IN) (V)	VDROP (V)	LT3094 温升	IIN (A)	系统效率
±3.3	±4.55	1.25	8°C	0.48	57%
±5	±6.25	1.25	8°C	0.65	65%
±12	±13.22	1.22	9°C	1.25	78%

结论

LT3094 是一款具有超低噪声和超高 PSRR 的负 LDO 稳压器。它采用基于电流基准的架构，可使噪声和 PSRR 性能独立于输出电压，多个 LT3094 可以轻松并联，以增加负载电流并降低输出噪声。当 LT3094 用于对开关转换器进行后置调节时，VIOC 功能可以最大限度地降低 LDO 稳压器的功耗，使其成为可变输出电压应用的理想选择。