穩壓器可調節電壓，但還能做很多其他的事情。自 1976 年三端浮動(dòng)穩壓器問(wèn)世以來(lái)，線(xiàn)性穩壓器的架構幾乎就沒(méi)有改變過(guò)。穩壓器要么是一種浮動(dòng)架構 (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。這兩種架構在通用性、調節性能和準確度方面存在局限性。
反饋電阻器負責設定輸出電壓并對進(jìn)入放大器的反饋信號進(jìn)行衰減。因此，輸出端上的穩壓是輸出電壓的一個(gè)百分數，于是，雖然百分數值上可能是相同，但較高輸出電壓的穩壓 (單位：V) 卻較差。而且，穩壓器的帶寬也會(huì )隨著(zhù)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。當輸出電壓升高時(shí)，這會(huì )減緩瞬態(tài)響應速度并使紋波性能變差。
老式穩壓器固定了電流限值，沒(méi)有調節的余地。其內置于 IC 之中，對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用相匹配或需要準確的電流限值，就必須使用一個(gè)外部電路。圖 1a 示出了老式穩壓器的基本架構。
2007 年，在 LT3080 中引入了一種新型架構。該器件采用一個(gè)電流源作為基準，并使用一個(gè)電壓跟隨器作為輸出放大器。這種架構的兩個(gè)優(yōu)勢是：可并聯(lián)多個(gè)穩壓器以提供更高的輸出電流；穩壓器能在輸出電壓低至零的條件下運作。由于輸出放大器始終以單位增益工作，因此帶寬是恒定的，穩壓也是恒定的。瞬態(tài)響應與輸出電壓無(wú)關(guān)，而且可采用 mV (而不是輸出的一個(gè)百分數) 來(lái)規定穩壓。圖 1b 示出了新型穩壓器架構。
圖 1a：老式穩壓器
圖 1b：新型架構穩壓器
表 1 羅列了新型穩壓器及其主要特性。伴隨著(zhù)不同的輸出電流，這些穩壓器進(jìn)行了特別的設計，以在現有的穩壓器中增添以前無(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) 還具備熱停機的外部控制能力。一種新型負穩壓器提供了監視功能，并能充當一個(gè)浮動(dòng)穩壓器或 LDO。所有這些新型穩壓器均可通過(guò)并聯(lián)以提供較高的電流、均流和散熱。
一款新型工業(yè)穩壓器
LT3081 是一款具有寬安全工作區的工業(yè)穩壓器。其能提供 1.5A 輸出電流、輸出電壓可調節至零、具備反向保護功能并擁有用于溫度和輸出電流的監視器輸出。此外，還可通過(guò)連接一個(gè)外部電阻器至該器件來(lái)調節電流限值。圖 2 示出了 LT3081 的基本連接。
圖 2：采用 LT3081 的基本穩壓器
溫度和電流監視器輸出采用電流源配置，以在 VOUT + 0.4V 至 VOUT – 40V 的范圍內運作。溫度輸出為 1μA/°C，而電流監視器輸出為 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進(jìn)行測量的。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工作。監視器輸出的動(dòng)態(tài)范圍比輸出高 400mV，因此當輸出短路或被設定為零時(shí)，仍然能夠測量溫度和電流。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 精準電流源來(lái)設定。內部跟蹤放大器強制輸出電壓與 SET 引腳電壓相等。LT3081 的獨特之處在于輸出電容器是可任選的。穩壓器可在采用或未采用輸入和輸出電容器的情況下實(shí)現穩定。所有的內部工作電流都流過(guò)輸出引腳，并需要最小負載以保持調節作用。這里，在所有的輸出電壓下均需要一個(gè) 5mA 的負載，以把器件保持于全面調節狀態(tài)。
設定電阻器會(huì )增加系統溫度漂移。市售的表面貼裝電阻器具有各種各樣的溫度系數。視制造商的不同，這些溫度系數低的在 100ppm，高的則超過(guò) 500ppm。雖然電阻器不會(huì )因為穩壓器中的功率耗散而被加熱，但是在很寬的環(huán)境溫度范圍內其溫度系數則會(huì )使輸出產(chǎn)生 1% 至 4% 的變化。對于高精度應用，可使用具較低溫度系數的薄膜電阻器。
采用內部的真正電流源作為基準 (而不像先前的穩壓器那樣采用自舉基準) 的好處并不是那么明顯的。真正的基準電流源可使穩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。就此前推出的所有可調穩壓器 (例如：LT1086) 而言，其環(huán)路增益和帶寬都會(huì )隨著(zhù)輸出電壓的變化而改變。假如調節引腳被旁路至地，那么帶寬也會(huì )發(fā)生變化。對于 LT3081 來(lái)說(shuō)，環(huán)路增益不會(huì )因輸出電壓的變化或者調節引腳的旁路而改變。輸出穩壓不是輸出電壓的一個(gè)固定百分數，而是一個(gè)固定的 mV 數值。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壓，而且將基準放大至一個(gè)較高的輸出電壓不需要其中的任何增益。
工業(yè)應用需要很大的安全工作區。安全工作區反映的是在輸入-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)穩壓器的安全工作區。上世紀 80 年代中期推出的 LT1086 是一款 1.5A 穩壓器，當輸入 / 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。倘若負載電流高于 100mA，則這會(huì )導致輸出電壓變至未調節狀態(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 是一款低壓差穩壓器，其同樣具有一個(gè)有限的安全工作區。LT3081 擴展了安全工作區，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到 500mA。這允許穩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用中使用。給 PNP 傳輸器件采用一種大型結構可獲得寬的安全工作區。另外，還為 LT3081 (以及負載) 提供了針對反向輸入電壓的保護。
圖 3：安全工作區性能的比較
圖 4 示出了 LT3081 的方框圖。有三個(gè)電流源，其中的兩個(gè)負責報告輸出電流和溫度。第三個(gè)電流源則用于提供 50μA 基準電流。LT3081 雖然并非低壓差穩壓器，但可在器件兩端電壓低至 1.2V 的情況下運作，該性能略?xún)?yōu)于諸如 LT1086 等老款器件。內部放大器配置與經(jīng)過(guò)良好調節的內部偏置電源相結合，使得器件可在未采用外部電容器時(shí)實(shí)現穩定。一項告誡：其無(wú)法以容許輸入和負載中所有可能的阻抗為目標進(jìn)行設計，因此重要的是在實(shí)際使用的系統中測試穩定性。如果發(fā)現存在不穩定性，則布設外部電容器可確保器件在所有輸出電流條件下均保持穩定。另外，外部電容器還能改善瞬態(tài)響應，因為其不再受限于內部放大器的帶寬。
圖 4：LT3081 的方框圖
對于此類(lèi)新型電流源基準穩壓器而言，器件的并聯(lián)是很容易的，而對于過(guò)去的穩壓器來(lái)說(shuō)這種做法則是不允許的，因為它們不能均流。器件并聯(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 的鎮流器即可對這些器件進(jìn)行鎮流，并使它們能夠均流。
圖 5 示出了 LT3081 的失調電壓分布情況。分布全部位于 1mV 之內以確保均流準確度達 10%；采用 10mΩ 的鎮流電阻便綽綽有余了。鎮流電阻器可以是 PC 板上長(cháng)度不到 1 英寸的印制線(xiàn)，或者是一小段導線(xiàn)，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：失調電壓
走線(xiàn)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)，設定電阻器中流過(guò)的設定電流增加了 x2，因此輸出為 100μA x RSET，而且 10mΩ 的鎮流電阻器可在滿(mǎn)電流時(shí)確保鎮流作用�？梢酝ㄟ^(guò)并聯(lián)任意數目的器件來(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)固定穩壓器相并聯(lián)的情形。當系統的可用輸出電流設計值不足時(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的充分鎮流，并在較高的輸出電流條件下確保了電流匹配。
圖 7：增加固定穩壓器的輸出電流
當布設了用于生成基準電壓的 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 )在基準和輸出電壓中產(chǎn)生誤差。需要對所有的絕緣表面進(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定性不如阻值較低的線(xiàn)繞電位器。電路板漏電也會(huì )在輸出中引起不穩定。通過(guò)把 SET 電流增加至高于 50μA 的標稱(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)用于調節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(zhù)，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。這降低了電壓對于 REST 周?chē)╇娏鞯拿舾行�。應謹慎地以開(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，并允許把輸出調低至零。
圖 8：采用一個(gè)阻值較低的設定電阻器
圖 9 示出了采用一個(gè) LT3092 電流源來(lái)給 LT3081 提供電流基準的情形。生成的 1mA 基準電流允許調節設定電阻器的阻值大幅降低，同時(shí)仍然可將器件的輸出調低至零。
圖 9：采用一個(gè)外部基準電路
如圖 10 所示，可采用電流監視器輸出來(lái)補償線(xiàn)路壓降。通過(guò)設定電阻器的一部分向電流監視器饋電可在 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關(guān)系。補償電阻器的阻值為 R2 = 5000 • RCABLE(TOTAL) 和 VOUT = 50μA (RSET + RCOMP)。運用這種方式可以補償幾 V 的線(xiàn)路壓降。
圖 10：采用電流監視器輸出來(lái)補償線(xiàn)路壓降
結論
與先前的器件相比，新型穩壓器針對負載和電壓變化提供的調節性能提升了一個(gè)數量級。穩壓規格指標以及瞬態(tài)響應不會(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視，以及可調的電流限制。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(zhù)這些改進(jìn)，器件的堅固性也有所提高。
新型穩壓器可實(shí)現新的應用。器件的并聯(lián)輕而易舉，而且可補償線(xiàn)路壓降。電流限值門(mén)限如今由用戶(hù)定義，而且輸出可調節至零。擴大了穩壓器的安全工作區，以在輸入擺幅較寬的情況下運作。
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