通过主动输出放电功能来保护敏感和昂贵的负载

电源产品部

高级产品市场工程师

Steve Knoth

背景信息

线性稳压器普遍用于很多现代电子系统中。尽管低压差 （LDO） 线性稳压器极少成为最昂贵的系统组件，但是从成本/效益角度来看，这种稳压器却常常是最有价值的组件之一。LDO 的其中一个任务是保护下游负载，避免因严酷的环境条件而损坏，例如因温度偏移、电压瞬态、电源噪声、电压反向、电流浪涌以及 EMI 或 ESD 而被损坏。简言之，其设计必须坚固可靠，并包含减轻环境影响所需的所有保护功能，同时保护负载。很多低成本 LDO 线性稳压器不包含必要的保护功能，因此无法起到保护作用，常常不仅引起稳压器损坏，还导致负载受损。

对于需要保护昂贵和敏感的负载而言，图像传感器系统就是一种典型的例子。图像传感器通常包含尖端、昂贵的数字 IC，这些 IC 获取图像，并将其直接转换成数字图像。两种最流行的图像传感器是电荷耦合器件 （CCD） 和 CMOS 成像仪。诸如内窥镜、安防摄像头等各种设备都包含图像传感器。

有些应用要求在通电和断电时控制电源周期。在多轨系统中，FPGA、ASIC、DSP、微处理器以及其他数字 IC 要求多个电压轨必须以特定顺序启动和关断。否则，这些 IC 就有可能损坏，或者系统的加电复位逻辑可能出现讹误。如果没有正确排序，就可能产生灾难性后果。对于必须控制输出状态的系统而言，如军事、航空电子或航天等高可靠性系统都是非常典型的例子，尤其是如果需要电源电压不断循环接通和断开时。

LDO 可以运用主动输出放电功能来满足系统的断电要求，主动输出放电功能可使 LDO 的输出快速地放电，而不必依靠 LDO 的负载或 LDO 的电阻分压器给输出放电。如果去掉输入电压，或者如果启动关断功能，那么具主动输出放电功能的 LDO 可以由一个 NMOS 开关快速拉低输出电压。具主动输出放电功能的器件之主要优势是，断电时，输出处于已知状态。无论负载状态如何，这类器件的输出始终按照预期快速放电。就关断时要求准确电源排序的应用 （例如： 图像传感器和微控制器） 而言，能够主动输出放电是很重要。

低压差线性稳压器 （LDO） 与其他稳压器的比较

低压降压型转换和稳压可以通过多种方法实现。开关稳压器在很宽的电压范围内以高效率运行，但需要磁性组件和电容器才能工作，因此占用的电路板空间相对较大。充电泵 （或开关电容器电压转换器） 可用来实现更低压的转换，但是输出电流能力受限，而且需要外部电容器才能工作和稳定。低压差线性稳压器通常效率较低，但产生的噪声也较小，而且更易于用来实现降压型应用。不过，现代设计方法和芯片制造工艺已经使低压差线性稳压器 （LDO） 能够进一步深入降压型应用领域了。现在，低压差线性稳压器具备超快瞬态响应、低压差电压、低压运行 （输出通常低至 0.6V）、大输出电流能力，以及能够用单电源工作。

LDO 设计挑战

大量工业标准线性稳压器用单个电压源以低压差运行，但是大多数稳压器不能同时提供电压和输出噪声非常低的转换 （输出低至 0.6V）、很宽的输入 / 输出电压范围和广泛的保护功能。PMOS LDO 能够用单个电源以低压差运行，但是受到通路晶体管 VGS 特性的限制，输入电压不能很低。基于 NMOS 的器件提供快速瞬态响应，但是需要两个电源来偏置该器件。NPN 稳压器提供很宽的输入和输出电压范围，但是需要两路电源电压或较大的压差。相比之下，PNP 稳压器如果架构设计得当，可以用单个电源实现很低的压差、很高的输入电压、低噪声和低压转换，而且能够提供可靠的保护。

随着工艺技术节点的不断缩小，现代数字 IC 需要以更低的电压运行。就很多现有输入电压轨而言，以较大电流和更低的输出电压运行意味着，从线性稳压器的功耗会增大。增加的功耗直接转换成了热量。因此，需要采用最新封装方法，以最大限度减少稳压器内部的温度上升，并限制应用的热量问题。此外，能够以低压差运行的线性稳压器 （最大限度减小输入和输出电压之差，同时稳压器保持对输出的调节和稳定性） 可降低功耗，因此减轻了热量问题。

还有两项挑战是，需要高的电源纹波抑制比 （PSRR） 和低的输出电压噪声。具高的电源纹波抑制比的器件很容易滤除和抑制来自输入的噪声，产生干净、稳定的输出。此外，在很宽的带宽上输出电压噪声很低的器件对现今的电压轨是有益的，因为对现代电压轨而言，噪声敏感性是需要考虑的因素。大电流、低输出电压噪声显然是必要的性能要求。

有些工业 LDO 提供主动输出放电功能，以保护负载。不过，现有解决方案仅在器件关断时启动。到现在为止，还很难找到有“双重”作用以主动输出放电的电路设计，即是当输入电压被拉低时也可启动该功能。

一种新的单电源线性稳压器

显然，一个主动输出放电的 LDO 应该具备以下特性：

• 用单电源运行 （以易于使用）

• 快速瞬态响应时间

• 在很宽的输入 / 输出电压范围内工作

• 能够提供很大的输出电流

• 低输出噪声

• 以非常低的压差运行

• 出色的热性能

• 在很宽的频率范围内有高的 PSRR

• 主动输出放电的电路具完整的双重作用 ─ SHDN 或 VIN 被拉低时都有效

幸运的是，凌力尔特公司最近推出了具主动输出放电功能的 500mA LT3066 低压差线性稳压器，该器件具备上述所有必要的属性。有些应用要求，关断时输出状态是已知的，LT3066 的设计满足这种要求。其输出始终按照预期快速放电，而不论负载处于什么状态。

LT3066 是一款高压、低噪声、低压差电压线性稳压器，提供精准、可编程的电流限制，主动放电，一个电源良好标记，以及更好的电源抑制比 （PSRR）。该器件提供高达 500mA 输出电流，满负载时压差电压为 300mV。LT3066 包含一个内部高压 NMOS 下拉电路，以在 SHDN 引脚被拉低或输入电压被断开时给输出电压放电。对于启动和停机时需要电源调节的应用 （例如： 高端成像传感器或微控制器），这种快速主动输出放电功能有助于保护负载。

LT3066 具很宽的 1.8V 至 45V 输入电压范围，输出电压在 0.6V 至 19V 范围内可调。单个 REF/BYP 引脚电容器提供软启动功能，使该器件能够在 10Hz 至 100kHz 带宽内以仅为 25µVRMS 的低噪声运行。输出电压容限随电压、负载和温度变化为高度准确的 ±2%。另一个 INFILT 引脚电容器在 20kHz 至 1MHz 频率范围内，将 PSRR 改进 15dB 至 30dB，而在 1MHz 时 PSRR 达到了 60dB。

LT3066 采用小型、低成本、最低 3.3µF 的陶瓷输出电容器工作。该器件的 PWRGD 标记指示输出处于稳定状态。LT3066 用一个电阻器精确设定外部电流限制 （在整个温度范围内为 ±10%）。此外，LT3066 的内部保护电路包括电池反向保护、电流反向保护、折返电流限制和过热限制。主动放电电路提供安全工作区 （SOA） 折返功能，以保护下拉 NMOS，使 OUT 电压高于 6V，并提供范围很宽的 OUT 引脚绝对最大额定值：-1V 至 +20V。如图 1 所示，该器件具很宽的输入和输出电压范围、快速瞬态响应以及 64µA （工作时） 和 < 3µA （停机时） 的低静态电流，因此成为工业电源、航空电子系统电源、汽车电源、需要最佳运行时间的电池供电型系统及仪器、以及需要提供广泛保护的高可靠性电源之出色选择。

图 1：LT3066 典型应用原理图及其功能

3.3V Supply with 497mA Precision Current Limit：具 497mA 精准电流限制的 3.3V 电源

WIDE VIN RANGE： 1.6V TO 45V：很宽的 VIN 范围：1.6V 至 45V

IN：输入

INFILT PIN AND CAP IMPROVE PSRR：INFILT 引脚和电容改善 PSRR

500mA PNP OUTPUT WITH ACTIVE OUTPUT DISCHARGE：500mA PNP 输出，能够主动输出放电

OUT：输出

WIDE VOUT RANGE： 0.6V TO 19V：很宽的 VOUT 范围：0.6V 至 19V

CBYP LOWERS OUTPUT NOISE AND SOFT-STARTS VOUT：CBYP 降低输出噪声，并使 VOUT 实现软启动

图 2 显示，具备主动输出放电功能的 500mA LT3066 与类似的 LT3065 （500mA，没有主动输出放电功能） 相比的优势。

图 2：具备主动输出放电功能的 LT3066 与 LT3065 的比较

ACTIVE OUTPUT DISCHARGE FOLDBACK：主动输出放电折返

ACTIVE OUTPUT DISCHARGE：主动输出放电

LT3065 有一个 10mA 负载，LT3066 仅由设定输出电压 （本例中为 10μA） 的电阻器分压器加载。即使给 LT3066 的输出加上了很轻的负载，由于该器件提供主动输出放电功能，所以输出电压也会快速放电。相比之下，LT3065 的输出电容器仅由连至其上的 10mA 负载放电，放电速度慢得多。

就高于 7V 左右的输出电压而言，LT3066 实施主动输出放电折返，因此，用来主动输出放电的晶体管之驱动降低了，这可限制该器件消耗的功率。由于产生了折返，所以在示波器显示屏上看到，LT3066 的 12V 波形从 12V 到 7V 的放电速度不那么快。在输出电压很高和使用大型电容器时，或者万一发生故障，使输出短路至很高的电压时，这样的放电速度可以保护 LT3066 免于损坏。

具备主动输出放电功能的器件之主要优势是，器件关断时，输出处于设定的已知状态。输出始终按照预期快速放电，而无论负载处于什么状态。对停机时要求精准电源排序的应用而言，这种特性很重要。

PSRR 性能的改进

与 LT306x 系列中的其他器件相比，LT3066 通过 INFILT 引脚提高了 PSRR 性能。INFILT 引脚是一个单独的输入引脚，为误差放大器和基准供电。这个引脚通过内部 140? 电阻器连至 IN 引脚。在 INFILT 引脚和地之间连入一个去耦电容器，就形成了一个 RC 滤波器，以降低误差放大器和基准的输入电源纹波。在 INFILT 引脚上连接一个 0.47μF 去耦电容器，可在高于 10kHz 的频率上使 PSRR 改进多达 30dB。如果不需要输入滤波，那么就将 INFILT 引脚连至 IN 引脚。图 3 显示了与 LT3065 相比，LT3066 PSRR 性能的改进。

图 3：具 INFILT 引脚的 LT3066 与 LT3065 的 PSRR 比较

RIPPLE REJECTION：纹波抑制

FREQUENCY：频率

完整的 LT306x 系列

不是所有应用都需要主动输出放电以保护敏感负载，也不是所有应用都要求输出电流高达 500mA。因此，凌力尔特还开发了 LT306x 系列的另外 5 款器件，以提供一种富有吸引力的产品组合，这个系列的器件具备以下特点：高输入和输出电压、低压差电压、低输出电压噪声性能、广泛的保护功能、快速响应以及很宽的 100mA 至 500mA 输出电流。其中有的器件具备主动输出放电功能，有的器件则没有这种功能。以下表 1 突出显示了 LT306x 系列中各款器件之间的不同。

表 1：LT306x 系列 LDO 功能和特点一览

结论

新的电路设计方法和改进的芯片制造工艺丰富了基于 PNP 通路晶体管 LDO 的性能特点。凌力尔特等供应商提供的这类 LDO 具备可靠的保护功能、很宽的输入和输出电压范围、低输出噪声和快速响应，能够用单个电压源以低压差运行。新的 LT306x 系列有 6 款器件，输出电流范围为 100mA 至 500mA，其中 3 款器件还提供新的完整双重作用主动输出放电功能，这种功能非常适合用在图像传感器和高可靠性系统中，以保护敏感、昂贵的负载，同时实现精准的电源排序。