Молли Чжу (Molly Zhu) Фэй Го (Fei Guo) Перевод: Владимир Рентюк
Параллельное включение линейных стабилизаторов LT3033 от Analog Devices для увеличения выходного тока и равномерного распределения тепла
Статья опубликована в журнале журнале КиТ №7 2020 г.
Рассматриваемая в статье микросхема LT3033, предложенная компанией Analog Devices Inc., выполнена в корпусе с габаритными размерами всего 3×4 мм и представляет собой линейный стабилизатор напряжения со сверхмалым падением напряжения на регулирующем элементе (VLDo) при малом предельном выходном напряжении и максимальном токе нагрузки в 3 A. Схемное решение стабилизатора LT3033, продвигаемого под торговой маркой Power by Linear, благодаря встроенной функции контроля выходного тока делает возможным его параллельное включение для приложений с большими токами потребления, а развитая защита обеспечивает широкие сферы приложения. Статья является переводом [1] и содержит ряд дополнений.
Введение
Каждое последующее поколение компьютерных систем требует больше общей мощности и более низких напряжений питания, чем его предшественник. Это ориентирует разработчиков источников питания проектировать устройства с большими выходными токами при малых габаритах их конечного исполнения. Однако при высоких плотностях мощности, даже при низких выходных напряжениях, одним из основных приоритетов становится проблема рассеивания тепла. Причем, когда речь идет о линейных стабилизаторах напряжения, необходимых в приложениях с требованиями низкого уровня шума по цепям питания, проблема выделения таким источником питания тепла поднимается на верхнюю позицию списка приоритетов. Увеличить ток от источника питания и при этом сократить тепловыделение единичной микросхемы поможет параллельное включение стилизаторов напряжения с малым собственным падением напряжения на регулирующем элементе, так называемых LDO (Low Dropout). Их параллельное включение уменьшает размеры общего решения, поскольку избавляет конструкторов печатных узлов от использования радиаторов — ведь тогда температура каждого элементарного стабилизатора в этой связке не выходит за рамки спецификации.
В статье показано, как организовать параллельное включение с дополнительным преимуществом по рассеиванию тепла 3‑A VLDO (Very Low Dropout) стабилизаторов напряжения типа LT3033 [2], предлагаемых компанией Analog Devices Inc. (далее — ADI) и разработанных командой Power by Linear. Устройства отличаются очень низким падением напряжения на регулирующем элементе и предназначены для приложений, в которых требуются токи более 3 А. Преимущество стабилизаторов напряжения LT3033 заключается в том, что их легко подключить параллельно и сбалансировать по току благодаря встроенной функции контроля (Output Current Monitor) и программированному управлению ограничением выходного тока (Programmable Current Limit).
Микросхема линейного стабилизатора напряжения LT3033 преобразует входные напряжения в диапазоне 1,14−10 В в выходное напряжение от 0,2 В с токами нагрузки до 3 А. При этом падение напряжения на регулирующем элементе стабилизатора составляет лишь 95 мВ при полной нагрузке. Во время работы ток покоя достигает 1,8 мА, а при отключении не превышает 22 мкА. Программируемый предел установки выходного тока, а также встроенная тепловая защита придают стабилизатору LT3033 необходимую устойчивость для работы в приложениях с высоким током и низким напряжением питания.

Общие сведения о включении и особенностях использовании линейного VLDo-стабилизатора LT3033
На рис. 1 показан пример типового включения стабилизатора на‑ пряжения LT3033, обеспечивающий от источника питания в 1,2 В выходное напряжение 0,9 В при токе в нагрузке до 3 А.
Рис. 1. Типичное применение микросхемы линейного стабилизатора напряжения LT3033 компании ADI
Для обеспечения стабильности работы микросхемы по ее входу и выходу требуется использование конденсаторов С1 и С2 емкостью минимум в 10 мкФ. Для микросхем данного типа допускается приме‑ нение многослойных керамических конденсаторов (Multlayer Ceramic Capacitor, MLCC) с низким собственным эквивалентным последовательным сопротивлением (Equal Series Resistance, ESR). Однако при этом необходимо учитывать снижение емкости таких конденсаторов под воздействием приложенного постоянного напряжения, соответственно, предпочтительными будут MLCC‑конденсаторы из керамики X5R, имеющие и меньшую температурную зависимость их емкости. Добавление в схему еще одного конденсатора С4 емкостью 10 нФ с выхода Vout к входу обратной связи ADJ — это опережающая коррекция в цепи отрицательной обратной связи (ООС). Такой конденсатор необходим для компенсации фазового сдвига, его включение может улучшить переходную характеристику стабилизатора и снизить шумы выходного напряжения.
Еще один конденсатор С3, также номиналом 10 нФ, представляет собой шунтирующий конденсатор внутреннего источника опорного напряжения 200 мВ. Он подключается с вывода REF/BYP к общему проводу (GND) и, как правило, снижает шумы выходного напряжения до уровня 60 мкВ в полосе частот 10 Гц — 100 кГц. Кроме того, он обеспечивает мягкий запуск стабилизатора. Минимальное входное напряжение, требуемое для достижения режима стабилизации выходного напряжения, равно сумме выход‑ ного напряжения VOUT и падения напряже‑ ния на регулирующем элементе стабилизатора, или 1,14 В, в зависимости от того, какая из величин будет больше. Демонстрационная плата с установленным на ней стабилизатором напряжения LT3033 показана на рис. 2.
Рис. 2. Демонстрационная плата с линейным стабилизатором напряжения LT3033 компании ADI
Ограничение тока в широком температурном диапазоне с точностью до ±12% программируется подключением резистора от вывода ILIM к GND (на рис. 2 не указан). Однако необходимо учитывать, что этот верхний предел тока может быть снижен внутренним ограничением с обратной связью, когда дифференциальное напряжение между входом и выходом превышает 5 В.
В стабилизаторе напряжения LT3033 слежение за выходным током (Output Current Monitor) обеспечивается подключением вывода IMON к GND через резистор R5. Вывод IMON является коллектором транзистора Q2, который играет роль токового зеркала и отражает ток выходного транзистора Q1 стабилизатора LT3033 в соотношении 1:2650. Падение напряжения на резисторе пропорционально выходному току стаби‑ лизатора, если оно не выше значения VOUT более чем на 400 мВ. Для расчета тока следует использовать формулу, где RIMON — это R5 на рис. 2:

Через токовое зеркало данная функция монитора выходного тока позволяет разделять его для нескольких микросхем LT3033, помогая организовывать их параллельное включение с равномерной токовой нагрузкой.
Несмотря на небольшие габариты (корпус QFN с 20 выводами, размером 3*4 мм, рис. 1), микросхема стабилизатора напряжения LT3033 включает и ряд защитных функций, в том числе внутреннее ограничение тока с обратной связью, защиту от перегрева и от обратного тока, а также от переполюсовки по входу.

Использование двух LT3033 параллельно для приложений с током нагрузки до 6 A
Для приложений, требующих ток более 3 А, несколько стабилизаторов напряжения LT3033 могут быть подключены параллельно благодаря встроенной в них функции токового монитора. На рис. 3 показаны две включенные параллельно микросхемы LT3033, которые с двумя дополнительными NPN‑ транзисторами типа 2N3904 организованы для формирования выходного напряжения 1,5 В при токе в нагрузке до 6 А. Выводы IN и OUT микросхем, соответственно, связаны. Один стабилизатор напряжения LT3033 действует как ведущий, управляя подчиненным ему вторым, ведомым, стабилизатором. Контакты IMON в сочетании с токовым зеркалом, выполненным на NPN‑транзисторах, создают объединенный усилитель, который вводит ток в делитель обратной связи ведомого стабилизатора напряжения LT3033 так, чтобы уравнять токи IMON от каждого LT3033. Резисторы номиналом по 100 Ом в цепях эмиттеров, для того чтобы гарантировать хорошее согласование транзисторов в токовом зеркале, обеспечивают падение напряжение в 113 мВ при полной нагрузке. Выходное напряжение ведомого LT3033 установлено на 1,35 В, что на 10% ниже, чем требуемое на выходе схемы. Это позволяет гарантировать, что ведущий LT3033 останется в режиме контроля выходного напряжения, что, собственно, и обеспечивает ему ведущую роль в данной связке. Резисторы обратной связи ведомого стабилизатора напряжения разделены на секции, чтобы обеспечить достаточный запас для ведомого. Комбинация последовательно включенных конденсатора емкостью 10 нФ и резистора номиналом 5,1 кОм, добавленная к выводу IMON ведомого устройства, образует частотно зависящую цепочку, которая компенсирует амплитудно‑частотную характеристику (АЧХ) контура обратной связи.

Рис. 3. Параллельное включение двух линейных стабилизаторов напряжения LT3033 компании ADI
Хотя эта схема может реально обеспечить ток в нагрузке уровнем до 6 А, точность распределения тока ограничена несоответствием вольтамперных характеристик (ВАХ) между NPN‑транзисторами внешнего токового зеркала, что приводит к нарушению равномерной токовой нагрузки и, соответственно, неравномерному распределению тепла между микросхемами. Более высокая точность разделения тока может быть достигнута с помощью согласованного монолитного транзистора, такого как MAT14 [3], предлагаемого компанией ADI для замены двух дискретных NPN‑транзисторов. MAT14 — это монолитная транзисторная сборка из четырех NPN‑транзисторов, обеспечивающая отличное параметрическое согласование. Максимальное отклонение усиления по току сборки не превышает 4%.
На рис. 4 приведено сравнение выходного тока каждого LDO‑ стабилизатора с использованием дискретных и согласованных NPN‑транзисторов соответственно. В отличие от транзисторов типа 2N3904 токовое зеркало на монолитной сборке MAT14 уменьшает несоответствие отражения тока с 5,3 до 1,6%.
Рис. 4. Сравнение выходного тока каждого LDO-стабилизатора с применением дискретных и согласованных NPN-транзисторов:
а) выходной ток каждого LDO-стабилизатора при использовании двух транзисторов типа 2N3904;
б) выходной ток каждого LDO-стабилизатора при использовании транзисторной сборки MAT14.

Рассогласование в распределении тока снижается благодаря установке параллельных LDO-стабилизаторов и монолитной транзисторной сборки MAT14 компании ADI
Параллельное подключение четырех микросхем LT3033 с использованием согласованных компонентов для хорошо сбалансированных токов и равномерного распределения тепла
Архитектура параллельной схемы масштабируется до необходимого количества LT3033 путем расширения токового зеркала и добавления дополнительных ведомых стабилизаторов напряжения LT3033. Для иллюстрации на рис. 5 показано решение с четырьмя микросхемами LT3033, включенными параллельно с использованием для разделения тока монолитной транзисторной сборки MAT14.
Рис. 5. Параллельное включение четырех линейных стабилизаторов напряжения LT3033 компании ADI с использованием для разделения тока монолитной транзисторной сборки MAT14
Тепловые характеристики схемы, приведенной на рис. 5, показаны на рис. 6. Как можно видеть, четыре LT3033 достигают температуры в диапазоне +51…+58 °C. Учитывая падение напряжения на входной трассе для каждой микросхемы, тепло равномерно распределяется по плате, что указывает на сбалансированное распределение тока для этого решения.
Рис. 6. Тепловые характеристики четырех линейных стабилизаторов напряжения LT3033 компании ADI в параллельном включении с использованием для разделения тока монолитной транзисторной сборки MAT14
На рис. 7 отображен переходный отклик источника питания с выходным напряжением 1,5 В, работающего от входной шины напряжением 1,8 В, схема которого представлена на рис. 6, при мгновенном увеличении тока нагрузки на 12 А.
Рис. 7. Переходный отклик источника питания из четырех микросхем LT3033, включенных параллельно при набросе нагрузки
Особенности и преимущества линейных стабилизаторов LT3033 компании ADI
Основные технические характеристики:
• Диапазон входных напряжений: 0,95−10 В.
• Падение напряжения на регулирующем элементе: 95 мВ.
• Выходной ток: 3 А.
• Регулируемое выходное напряжение: от 200 мВ до 9,7 В.
• Одиночный конденсатор плавного пуска и снижения выходного шума.
• Возможность использования керамических конденсаторов по выходу.
• Возможность регулировки нагрузки в пределах от 1 мА до 3 А.
• Ток потребления: 1,9 мА.
• Ток при отключении: 22 мкА.
• Защита по току с обратной связью.
• Программируемое ограничение выходного тока.
• Монитор выходного тока.
• Тепловая защита с гистерезисом.
• Защита от обратного втекающего тока.
• Корпус QFN‑20 3*4 мм.
Функциональные особенности микросхем LT3033 включают программируемое ограничение тока, флаг соответствия напряжения (Power Good, PWRGD), защиту от перегрева и втекающего тока по выходу, что позволяет использовать их в устойчивых к окружающей среде и надежных решениях. Кроме того, системы с батарейным питанием, выигрывают от низкого собственного потребления тока микросхемы LT3033, сверхнизкого тока в режиме ожидания (при отключении, вход управления предусмотрен) и защиты от переполюсовки по входу.
Микросхемы линейных стабилизаторов напряжения LT3033 были разработаны практически для любого конечного приложения и сегмента рынка. Основными областями применения являются схемы питания программируемых пользователем вентильных матриц FPGA, постстабилизаторы для импульсных DC/DC‑преобразователей, линейные стабилизаторы для датчиков ячеистой сети и устройств «Интернета вещей» с питанием от батарей и аккумуляторов, а также беспроводные модемы.

Заключение

Микросхема LT3033, предлагаемая компанией ADI под торговой маркой Power by Linear, — это VLDO‑стабилизатор с максимальным током нагрузки 3 A, выполненный в корпусе с габаритными размерами всего 3*4 мм. Схемное решение VLDO‑стабилизаторов LT3033 благодаря встроенной функции контроля выходного тока позволяет включать их параллельно для приложений с высоким током. С типичным падением напряжения на регулирующем элементе стабилизатора при полной нагрузке лишь в 95 мВ микросхемы LT3033 оптимальны для приложений с высоким током при низком входном и низком выходном напряжении, обеспечивая сопоставимую электрическую эффективность с импульсными стабилизаторами. Дополнительные сведения о микросхеме LT3033 доступны по ссылке [2], а общие сведения о линейных стабилизаторах с низким и сверхнизким собственным падением напряжения — в справоч‑ ном руководстве [4] и на сайте компании Analog Devices Inc. [5].

Литература
1. Zhu M., Guo F. Paralleling Very Low Dropout Linear Regulators for Increased Output Current and Even Heat Distribution // Analog Dialogue, January 2020, Vol. 54.
www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/ paralleling-very-low-dropout-linear-regulators.html
2. LT3033 3 A, 0.95 V to 10 V, Very Low Dropout Linear Regulator with Programmable Current Limit. www.analog.com/ru/products/lt3033.html
3. MAT14. Монолитная транзисторная сборка из четырех транзисторов.
https://www.analog.com/ru/products/mat14.html#prod…
4. Low Dropout (LDO) Linear Regulators Selection Guide.
www.analog.com/media/en/news-marketing-collateral/ solutions-bulletins-brochures/LDO-web.pdf
5. Линейные стабилизаторы.
https://www.analog.com/en/products/power-management/%20ldo-linear-regulators.html