獲得更高輸出電流的三種方法

作者：Kevin Scott, Amit Patel, and Dawson Huang

LT?0342 是一款 200mA、1.8V 至 20V 輸入、線性穩(wěn)壓器，其目標是低噪聲 RF 和無線電路。它具有業(yè)界領(lǐng)先的 0.8μV 電壓有效值輸出噪聲（10Hz至100kHz）和令人印象深刻的79dB PSRR（1MHz）。一些客戶要求將電流提高到200mA以上，同時仍保持低噪聲和高PSRR。本文探討了獲得更高輸出電流的三種方法，并提供了實用的輸入，以幫助您確定哪種方法最適合您的電路條件。這三種方式是：

使用外部 PNP 轉(zhuǎn)換器

使用外部 NPN 晶體管

并聯(lián)使用多個 LT3042

選擇的PNP和NPN功率晶體管分別是安森美半導體D45VH10和D44VH10。

線性穩(wěn)壓器和PSRR

有幾個因素決定了線性穩(wěn)壓器的PSRR。其中包括內(nèi)部控制環(huán)路的開環(huán)增益、誤差放大器的帶寬、單位增益頻率、輸出電流、輸出電容的有效串聯(lián)電阻（ESR）和溫度效應。由于 LT3042 已經(jīng)包括一個內(nèi)部調(diào)整管并具有一個預先確定的調(diào)節(jié)環(huán)路，因此其中幾個參數(shù)已經(jīng)固定。我們能做的是調(diào)整PNP和NPN電路以優(yōu)化電路的性能。

LT?3042 線性穩(wěn)壓器

首先觀察 LT3042 的噪聲頻譜密度與頻率的關(guān)系。注意如何增加 C設置電容（基準電壓兩端的電容）改善了較低頻率的噪聲密度，增加了輸出電容（C外）提高了300kHz至2MHz頻率范圍內(nèi)的噪聲密度。

LT3042 在接近其壓差電壓時保持了卓越的 PSRR。下圖顯示了PSRR與輸入/輸出差分電壓的函數(shù)關(guān)系。在滿 200mA 負載下，典型壓差為 350mV。高于 1V 輸入/輸出差分，對于 100kHz 至 2MHz 的頻率范圍，PSRR 大于 70dB。

外部 PNP 晶體管電路

對于PNP電路，我們可以調(diào)諧發(fā)射極和基極之間的阻抗網(wǎng)絡，并調(diào)整輸出電容。D45VH10G 晶體管基極和發(fā)射極之間的 10Ω 電阻器限制了從基極到 LT3042 IN 引腳的電流。該電阻值越高，瞬態(tài)響應越快，獲得的PSRR越高。但是，該電阻越高，系統(tǒng)就越不穩(wěn)定。因此，我們增加了一個22uF電容，并串聯(lián)一個0.2Ω電阻以確保穩(wěn)定性。這些值是通過經(jīng)驗獲得的。電容值越高，獲得的PSRR越高。使用具有低有效串聯(lián)電阻（ESR）和低有效串聯(lián)電感（ESL）的輸出電容器也能獲得最佳性能。選擇10uF電容器。

LT3042 具有外部 PNP 以增加 I外

測試結(jié)果如下所示。第一張圖是該電路的噪聲頻譜密度圖與 1A 時的頻率的關(guān)系圖，與 LT3042 在 0.2A 時的噪聲頻譜密度圖的比較。請注意，外部PNP電路在大約1MHz時提供類似的性能。在1MHz時，兩個圖表發(fā)散，PNP電路顯示噪聲密度急劇下降，然后在較高頻率下明顯增加。

下圖左側(cè)顯示了采用2V輸入/輸出差分的外部PNP解決方案時PSRR與頻率的變化。請注意，PSRR 仍然非常好 （70dB PSRR 意味著任何開關(guān)噪聲都會衰減約 3000），但 PSRR 性能下降 10dB （與沒有 PNP 的 LT3042 相比）意味著不帶 PNP 的 LT3042 要好 3 倍。注意PSRR如何隨著負載電流的減小而改善。右圖顯示了PSRR如何隨著輸入/輸出電壓差的增加而變化。按最高PSRR的順序列出結(jié)果，得到100kHz，2MHz，500kHz，然后是1MHz。

PSRR， V在-V外= 2V

PSRR， I外= 1.5A

外部 NPN 晶體管電路

現(xiàn)在，讓我們將分析轉(zhuǎn)移到使用NPN晶體管來增加輸出電流，如下面的電路所示。在正常工作（無外部晶體管）下，OUT引腳直接連接到OUTS（輸出電壓檢測引腳）。但是，為了提高電路穩(wěn)定性，OUT和OUTS引腳之間的阻抗網(wǎng)絡需要調(diào)整。10kΩ電阻限制從基極流向OUTS的電流。10uF電容穩(wěn)定系統(tǒng)。

LT3042 具有外部 NPN 以增加 I外

下圖顯示了 200mA LT3042 電路與 1A LT3042 加 NPN 解決方案之間的噪聲密度差異。NPN解決方案在大約100kHz之前具有略高的噪聲密度，但隨后其噪聲密度顯著下降。在3MHz附近，圖形圖交叉。

下圖和左圖顯示了使用與PNP電路相同的條件時NPN電路的PSRR與頻率的變化。比較這些結(jié)果揭示了類似的負載電流趨勢，即;PSRR隨著負載電流的增加而增加。在兩個電路的輸出電流相似（例如1A）的情況下，NPN電路從低得多的PSRR值（60dB）開始，并隨著頻率的增加相當一致地上升到近80dB;PNP電路數(shù)據(jù)呈彎曲形狀——它從高PSRR（80dB）開始，下降到約60dB，然后在較高頻率下再次上升到大約70dB。

PSRR， V在-V外= 2V

PSRR， I外= 1.0A

現(xiàn)在觀察 PSRR 與 V在-to-V外右側(cè)的差分圖。即使輸出電流略低于上述類似的PNP電路（1A與1.5A），也可以進行一些一般性觀察。首先，PSRR隨著MOSFET接近壓差而降低。此外，隨著V電壓的提高，PSRR至少提高了20dB。在-to-V外差分大于3.5V。對于NPN電路，頻率的排名，從高到低，最佳PSRR列在第一位：2MHz，1MHz，100kHz和500kHz。請注意，這與PNP電路有何不同，PNP電路的頻率排序順序為100kHz，2MHz，500kHz，然后是1MHz。

接下來觀察PNP和NPN電路的瞬態(tài)響應。在1A負載階躍下，NPN電路的建立時間要長得多，但峰值電壓確實低了約25%。強調(diào)上述差異的目的不是詳細解釋原因，而是展示不同的元件和電路條件如何影響電路的運行。如果沒有適當?shù)睦斫夂驮u估，這些差異可能會導致性能、穩(wěn)定性和可靠性問題。

NPN 瞬態(tài)響應

PNP 瞬態(tài)響應

并聯(lián) LT3042 的

增加輸出電流的另一種方法是并聯(lián)多個 LT3042 的輸出。LT3042 具有一個精準的電流源基準片內(nèi)，這使得并聯(lián)輸出和均流變得非常簡單。每個輸出端都需要一個小的鎮(zhèn)流電阻器，以防止輸出相互對抗。下圖示出了四個 LT3042，其輸出并聯(lián)以獲得一個 0.8A 解決方案。

并聯(lián)器件的一個關(guān)鍵優(yōu)勢是降低了輸出噪聲頻譜密度。為了更好地理解為什么會發(fā)生這種情況，請參閱博客“并聯(lián)放大器提高SNR性能”雖然本博客討論了放大器噪聲，但相同的概念也可以應用于線性穩(wěn)壓器輸出噪聲。下圖顯示了 LT3042、LT3042 加外部 PNP 晶體管、LT3042 加外部 NPN 晶體管和并聯(lián) LT3042 電路的結(jié)果。正如預期的那樣，并行解決方案具有最佳性能。

并聯(lián)器件的另一個優(yōu)點是PSRR不會降低;如下圖所示，它保持相對恒定，與NPN和PNP電路不同。NPN 電路數(shù)據(jù)為淺棕色，PNP 數(shù)據(jù)為藍色，LT3042 數(shù)據(jù)為紅色，并聯(lián)的 LT3042 電路數(shù)據(jù)為綠色。紅線和綠線非常相似;并聯(lián)電路在整個頻率范圍內(nèi)保持高PSRR。

最后，正如人們所期望的那樣，并聯(lián)的LT3042電路具有最佳的瞬態(tài)響應。NPN和PNP電路的附加電路使控制環(huán)路復雜化，并減慢了瞬態(tài)響應。利用四個并聯(lián)的 LT3042 （800mA） 時，瞬態(tài)響應具有較小的過沖和下沖，建立速度比 1A PNP 電路快約 20 倍，比 1A NPN 解決方案快 100 倍。

總之，有幾種方法可以增加超低噪聲、超高PSRR LT3042的輸出電流。從上述數(shù)據(jù)可以看出，并行解決方案可產(chǎn)生最佳的PSRR、最佳的噪聲頻譜密度和最佳的瞬態(tài)響應。如果其中任何一個是關(guān)鍵設計規(guī)范，則建議使用此解決方案。該解決方案還提供電流限制和熱關(guān)斷保護。然而，權(quán)衡是解決方案成本。

PNP 解決方案更具成本效益，并且在需要大于 1A 的輸出電流時具有更好的 PSRR。它具有1.5V （近似）壓差，不提供熱關(guān)斷保護。

NPN解決方案還具有成本效益，當輸出電流小于1A時具有更好的PSRR。它還具有1.5V （近似）壓差，不提供熱關(guān)斷保護。

審核編輯：郭婷