無需散熱器就能分散PCB熱量的新型大電流LDO線性穩(wěn)壓器

背景

隨著便攜式和非便攜式產(chǎn)品尺寸的減小，也需要相應減小印刷電路板 （PCB） 的尺寸。單面電路板已經(jīng)讓位于雙面電路板，現(xiàn)在 4 至 16 層的電路板已經(jīng)司空見慣了。幾乎總能見到利用各種不同的板上穩(wěn)壓器進行電源分配和負載點電壓轉(zhuǎn)換的實例。開關(guān)穩(wěn)壓器在很寬的電壓范圍內(nèi)以較高頻工作，但需要電感器，從而占用了大量電路板空間。人們也用充電泵或開關(guān)電容器電壓轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換，但是其輸出電流能力有限，大約為 500mA，而且需要外部電容器以穩(wěn)定工作，但是一般來說，就提供與開關(guān)穩(wěn)壓器相當?shù)妮敵鲭娏鞫?，占用較少的電路板空間。低壓差 （LDO） 線性穩(wěn)壓器效率較低，但產(chǎn)生較低的噪聲，而且就降壓型應用而言，使用也更簡單。

新式表面貼裝 PCB 系統(tǒng)的限制

PCB 上產(chǎn)生局部熱點這個問題很難解決。開關(guān)穩(wěn)壓器和充電泵由于采用開關(guān)拓撲，所以產(chǎn)生較少的熱量。而另一方面，視輸入至輸出電壓差、輸出電流和封裝熱特性的不同而不同，LDO 產(chǎn)生更多的熱量。表面貼裝電路板的設計隨著更加尖端的制造方法、多層 PCB、較小和較薄的分立式組件、以及較薄的 IC 封裝的采用而演變。傳統(tǒng)上，當需要大電流時，在這類系統(tǒng)中采用了具功率封裝和散熱器的線性穩(wěn)壓器或開關(guān)穩(wěn)壓器。不幸的是，與全表面貼裝解決方案相比，使用散熱器使電路板更加復雜、昂貴和難以組裝了。直到現(xiàn)在，由于表面貼裝 IC 在電路板上的散熱限制，LDO 的功耗一直限制在約為 2W。在這類應用中使用線性穩(wěn)壓器遇到的典型問題包括：

? 在表面貼裝系統(tǒng)中無法得到較大的輸出電流。并聯(lián)允許較大的輸出電流，并在表面貼裝系統(tǒng)中使功耗分散到較大的區(qū)域上。否則，當穩(wěn)壓器貼裝到 PC 板表面時，較高的峰值溫度將使功耗限制為最大 2W。

? 無法將輸出電壓調(diào)節(jié)至低于 1.2V。新的高性能數(shù)字電路需要低于 1.2V 的電壓。

? 無法在所有表面貼裝系統(tǒng)中實現(xiàn)最佳使用。表面貼裝組件和高密度電路板排除了為較舊的線性穩(wěn)壓器配備散熱器的可能 （高度限制等）。

高性能開關(guān)穩(wěn)壓器填補了這些空白，可提供較低的輸出電壓和最少的熱量積累。缺點是提高了成本和復雜性。不過現(xiàn)在，改進的設計方法使低壓差穩(wěn)壓器在這一應用領(lǐng)域占據(jù)了相當大的份額，而且份額在日益增大。

一種新的架構(gòu) ━━ 可并聯(lián) 3A NPN LDO

LT3083 是一款 3A LDO，可非常容易地并聯(lián)，以分散熱量并提供較大的輸出電流。該器件采用電流源基準和高電源電壓跟隨器。穩(wěn)壓器的跟隨器輸入連在一起 （SET 引腳），僅用一小段 PC 走線作為鎮(zhèn)流器，就可以在多個穩(wěn)壓器之間實現(xiàn)輸出電流均分并分散熱量，從而無需散熱器，就能在全表面貼裝系統(tǒng)中實現(xiàn)數(shù)安培的輸出電流。

LT3083 在任何輸出電壓都能實現(xiàn)無與倫比 《 ±2mV 的穩(wěn)定度。該器件具 1.2V 至 18V （DD-Pak 和 TO-220 封裝） 的寬輸入電壓能力，當用一個單獨的偏置電源工作時，其滿負載電流壓差僅為 310mV。輸出電壓可用單個電阻器調(diào)節(jié)和編程，涵蓋從 0V 至 17.5V 的寬電壓范圍，而且已微調(diào)的內(nèi)置 50μA 電流基準達到了 ±1% 的高準確度。由于該器件采用了單位增益電壓跟隨器架構(gòu)，所以穩(wěn)定性和輸出噪聲 （40μVRMS） 不受輸出電壓影響。大的輸出電流、寬的輸入和輸出電壓范圍、嚴格的電壓和負載調(diào)節(jié)、高紋波抑制、很少的外部組件和并聯(lián)能力使 LT3083 非常適用于新式較大電流的多軌系統(tǒng)。

圖 1：LT3083 的典型應用電路

OPTIONAL FOR MINIMUM 1mA LOAD REQUIREMENT：

可選，以滿足 1mA 的最小負載電流要求

LT3083 采用各種耐熱增強型表面貼裝兼容封裝，包括扁平 （0.75mm） 12 引線 4mm x 4mm DFN 和 16 引線耐熱增強型 TSSOP。在表面貼裝應用中，這兩種封裝無需散熱器，就允許 2W 耗散。該器件還采用 5 引線 TO-220 和 DD-Pak 功率封裝，以安裝到散熱器上，從而允許更大的功率耗散。

較大基準電流的優(yōu)勢

相比先于其推出的同類器件 （LT3080 / LT3082 / LT3085），LT3083 的 SET 引腳電流為 50uA （前者則為 10uA），因而對于影響實際輸出電壓的電路板漏電流不太敏感。對于因電路板清洗不良和 / 或污染所引起從 SET 至 GND 的給定漏電流，將呈現(xiàn)出一個較小的百分比誤差：50uA 比 10uA。另外，對于一個給定的輸出電壓，RSET 電阻器的阻值較小 （它是一個較低阻抗節(jié)點，使得雜散信號不容易耦合進來），從而可產(chǎn)生一個更加穩(wěn)定的輸出。該器件的 SET 引腳電流還具有很高的準確度 （初始準確度達 1%），而且在整個溫度范圍內(nèi)也非常穩(wěn)定，如圖 2 所示。

圖 2：LT3083 的高度準確 SET 引腳電流

SET Pin Current：SET 引腳電流

TEMPERATURE：溫度

流行的電路應用：3A 電流源

這個新一代 NPN LDO 系列適用于各種創(chuàng)新性電路方案，其中的兩個是電流源和并聯(lián)配置。

與其他模擬電路相比，表面上看，電流源設計似乎相對容易，但實際上卻更復雜。盡管高質(zhì)量電壓源很常見，但是在凌力爾特推出 LT3092 之前，作為組件的電流源一直難以見到。將 LT3083 配置為電流源，可提供很多 LT3092 提供的功能，而且該電流源還提供高得多的供電電流 （3A 比 200mA），參見圖 3 以獲得詳細信息。此外，這種電流源消除了傳統(tǒng)的分立式方案的多種問題，尤其是希望隨溫度變化有較高的準確度和穩(wěn)定性時。

圖 3：LT3083 配置為電流源

Current Source：電流源

直接并聯(lián)的 IC 分散熱量

與單個 IC 相比，在 PC 板上并聯(lián)的穩(wěn)壓器可以分散熱量，以幫助保持電路板峰值溫度在可接受的范圍，并提高最大輸出電流。傳統(tǒng)上，這需要一個外部運算放大器和幾個電阻器來實現(xiàn)，以實現(xiàn)最佳平衡的電流均分。而 LT3083 可以非常容易和直接地并聯(lián) （即無需外部運算放大器），以分散熱量并提供較大的輸出電流，而且其輸出仍然可用單個電阻器調(diào)節(jié)。這允許采用 LT3083 實現(xiàn)全表面貼裝解決方案，而以前在這類解決方案中，一度使用開關(guān)穩(wěn)壓器或者因噪聲要求而決定使用配備散熱器的線性穩(wěn)壓器。直到不久前，表面貼裝 IC 散出有關(guān)的 2W 功率的能力還一直限制著大電流輸出?，F(xiàn)在，產(chǎn)生的熱量可以分散在幾個穩(wěn)壓器上，從而提供了較大的輸出電流。通過采用創(chuàng)新性電流基準和跟隨器架構(gòu)，僅用一小段 PC 走線作為鎮(zhèn)流器，就可以在多個穩(wěn)壓器之間實現(xiàn)準確的電流均分，從而可在全表面貼裝系統(tǒng)中實現(xiàn)數(shù)安培的線性調(diào)節(jié)，而無需散熱器，如圖 4 所示。使通路晶體管的集電極可用，可進一步增加散熱選擇。功耗可以分散在幾個穩(wěn)壓器上，以使系統(tǒng)板上不出現(xiàn)熱點。外部電阻器可用來以非常低的成本進一步分散熱量。這種均分電流和功耗的能力使該穩(wěn)壓器非常適用于不想使用開關(guān)穩(wěn)壓器的電路板電源。

圖 4：LT3083 并聯(lián)方案提供 6A 輸出電流，且無需散熱器

結(jié)論

傳統(tǒng)上，面向大電流應用的多軌、表面貼裝 PCB 系統(tǒng)布滿了采用功率封裝和散熱器的線性穩(wěn)壓器，從而增大了尺寸、復雜性和成本，或者布滿了開關(guān)穩(wěn)壓器?，F(xiàn)在，一種新的線性低壓差穩(wěn)壓器已上市，該穩(wěn)壓器繼續(xù)發(fā)揚了凌力爾特 LT3080 系列的優(yōu)良傳統(tǒng)，那就是 3A LT3083。LT3083 憑借基于電流的基準架構(gòu)和大的輸出電流，解決了通常與這類設計有關(guān)的多種問題，包括局部熱量過高、散熱器和過多的導線、以及大量無源組件的問題。這個創(chuàng)新性 IC 通過直接并聯(lián)，能提供幾乎無限的輸出電流，從而無需散熱器就能分散 PCB 的熱量，而且可用單個電阻器穩(wěn)定 VOUT 并將輸出電壓調(diào)節(jié)至 0V，在實現(xiàn)所有這一切的同時，產(chǎn)生的輸出噪聲也很低。