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[FAQ] 负载条件、输出电容和余量对航天级 LDO 电源抑制比 (PSRR) 性能有何影响?

Other Parts Discussed in Thread:TPS7A4501-SP, TPS7H1101A-SP

答:

看看我们产品中两款最常用的航天级 V 类低压降稳压器 (LDO)。

TPS7A4501-SP 和 TPS7H1101A-SP。

它们都是可调输出 LDO,采用陶瓷封装,具有耐辐射性能,并通过认证。  TPS7H1101A-S 功能齐全,具有可调电流限制、电流检测输出和软启动功能。  TPS7A4501-SP 是业界超小型宽输入电压 LDO。

有关其规格和额定值的具体详细信息,请参阅相应的产品数据表:  TPS7A4501-SP TPS7H1101A-SP

这两种器件在各自的数据表中都有典型的 PSRR 值。可能还需要数据表之外的更多信息,才能正确确定所需的电压余量 (Vheadroom = Vin – Vout),从而在特定应用的任务要求中保持良好的 PSRR 性能,同时更大程度减少内部 LDO 功耗。 

为了正确测量 PSRR,需要将电压纹波注入 Vin 以产生电压扰动。  这要求消除 LDO 的输入电容,因为它会衰减注入的信号。  随后,测试装置将测量产生的输出电压纹波,以确定 LDO 调节输出电压时的衰减水平。  对于 LDO,这可以表示为 PSRR = 20log(Ripple(Vin)/Ripple(Vout))。  在查看数据之前,让我们来看看测试装置。

此处显示的结果是使用 Omicron Bude 100 和 Picotest J2120A 线路注入器获得的。   该图显示了所需的硬件和受测 LDO 连接。  

PSRR 的余量与数据表中规定的压降电压参数 (VDO) 并非完全相同。   压降电压基于 LDO 在特定 Vin 和负载的静态直流条件下保持特定输出电压阈值的能力。  随着 Vin 减小,在某些情况下,Vout 将会超出稳压规格范围。 

在这个有压降的最小 Vin 处,PSRR 将会受到影响,因为稳压器会因为传入的纹波导致额外的 Vin 压降。  请参阅以下两个示例,其中放大了最小压降电压附近的 Vin 纹波。

从这个简化的示例中很容易看出,余量和纹波幅度将直接影响 PSRR 性能。

达到最大 PSRR 性能所需的余量将随着 Vin 上的峰间纹波幅度而增加。  

下图显示了多种条件下 TPS7A4501 的 PSRR 性能随测试期间注入信号的幅度的变化情况。

顶部两条曲线表示给定条件下的最佳或接近最佳的 PSRR 性能。  红色曲线注入了 +/-400mV 峰间纹波,而余量为 700mV。  这表示从注入纹波底部到输出电压的有效余量为 300mV。  同样地,黑色曲线上也有相同的 300mV 差值,其中注入了 +/-200mV 峰间信号,而余量为 500mV。

底部两条曲线表示从注入纹波底部到 Vout 电压的有效余量为 100mV。   显然,Vin 上的纹波量对于确定实现完整 PSRR 性能所需的余量至关重要。  在选择余量时应评估来自电源的最大 Vin 纹波。

除了余量外,负载电容和负载电流也对 PSRR 性能有着重要影响。以下图形可用于评估各器件在不同条件下的性能,并帮助确定最佳 PSRR 性能所需的余量。

 

以下几组数据利用 50ohm 电压源为每个 LDO 的 Vin 注入 -10dBm 功率。  这表示在 Vin 上注入的纹波为 70.7mV RMS(+/-200mV 峰间纹波)。  除了反馈分压器以及输入和输出电容外,各项数据都可以通过库存评估模块 (EVM)(TPS7H1101SPEVM 和 TPS7A4501EVM-CVAL)获得。  所有情况下都消除了输入电容,以防止注入到 LDO 的信号产生衰减。

以下几组数据是每个 LDO 在不同的负载、余量和输出电容条件下得出的。   这些图形可用于估算各种条件下的性能。

TPS7H1101A-SP PSRR汇总数据。

此图显示了 TPS7H1101A 在各种负载条件下的 PSRR 性能。  一般而言,负载越轻,该器件在较高频率下的 PSRR 性能往往越好。  在约 30kHz 以下的频率下,该器件在负载范围内具有非常稳定的负载性能。  Vout 为 1.8V 且 Vin 为 2.5V 时的 PSRR 性能。

此图显示了 TPS7H1101A 在各种余量条件下的 PSRR 响应。  其中,Vout = 1.8V,Iout = 1A。使用 +/-200mV 峰间纹波注入在 ~400mV 余量条件下实现了完整性能

在 100kHz 以下,输出电容不会对 TPS7H1101A 的 PSRR 产生显著影响。  输出电容和负载引入的零点会产生一个影响 PSRR 性能的零点。  当输出电容为 22uF 时,PSRR 会因电容额外增加而受益。  缺少输入电容也会产生一些影响。   测试是在 Vout 为 1.8V 且 Iout 为 1A 的条件下进行的。

TPS7A4501-SP PSRR汇总数据。

此图显示了 TPS7A4501 在各种负载条件下的 PSRR 性能。  与 TPS7H1101A 相比,PSRR 性能在较低频率下会受到负载影响,而在较高频率下受到的影响较小。

PSRR 测试是在 Vout 为 1.8V 且 Vin 为 3.3V 时执行的。

此图显示了 TPS7A4501 在各种余量条件下的 PSRR 响应。  其中,Vout = 1.8V,Iout = 500mA。  使用 +/-200mV 峰间纹波注入,在 ~500mV 的余量条件下实现了完整性能。

此最终图形显示了 Cout 对 TPS7A4501 PSRR 性能的影响。  本质上,性能与频率高达约 30kHz 的情况相似:通过采用更大的电容可以提高 PSRR。

结论:

为了实现 LDO 的完整 PSRR 性能,仅在设计上确保 Vin 等于或大于 Vout + Vdropout 是不够的。  还必须考虑衰减上游转换器的预期 Vin 纹波所需的额外余量。   另外,还应考虑输出电容和负载电流的次级影响。

Cherry Zhou:

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