Paralelním řazením VLDO za vyšší proudy a lepší rozložení tepla

Každá nová generace výpočetních systémů si v úhrnu žádá vyšší výkon a také menší napájecí napětí než její předchůdce. Vývojáři navrhující zdroje napájení proto musí udržet krok a navzdory malé ploše vykrývat rostoucí zatěžovací proudy. Při uvážení vysokých hustot výkonu, společně s malým výstupním napětím se pak do popředí zájmu, zvláště u lineárních stabilizátorů v zapojeních s požadavkem na nízké rušení, dostává otázka ztrátového tepla. S navýšením proudové zatížitelnosti a zmírněním obtíží souvisejících se ztrátovým teplem zde napomáhá paralelní řazení stabilizátorů LDO. Bude tak možné omezit nárůst teploty u jakékoli dané součástky a snížit i potřebné rozměry, resp. množství chladicích prvků.

Článek ukazuje, jakým způsobem lze paralelně zapojit 3A stabilizátory VLDO LT3033 [1] s velmi malým úbytkem napětí v aplikacích vyžadujících průtoky překračující 3 A, zatímco dále těžíme z rozložení tepelné zátěže. Jednoduché paralelní řazení a také vyvážení proudu je možné díky zapracované funkci sledování výstupního proudu.

Obvod LT3033 převádí vstupní napětí od 1,14 V do 10 V na výstup, který může dosahovat až 0,2 V. Proudová zatížitelnost přitom činí až 3 A. Při plném zatížení je udáván úbytek napětí pouze 95 mV. Během činnosti uvažujeme klidovou spotřebu 1,8 mA, která při shutdownu klesá na 22 μA. Potřebnou odolnost v zapojeních s nízkým napětím a vysokými odběry zajišťuje stavitelné proudové omezení společně s tepelnou ochranou.

3 A s jediným VLDO

Na obr. 1 sledujeme obvod LT3033 zajišťující ze vstupních 1,2 V výstup 0,9 V zatížitelný 3 A. K zajištění stability bude na vývodech IN a OUT požadován keramický kondenzátor o minimální velikosti 10 μF a s velmi malým ESR. Kapacita C_FF zapojená mezi piny V_OUT a ADJ může pomoci při zlepšování přechodové odezvy a také s potlačením rušení výstupního napětí. Kondenzátor o velikosti 10 nF mezi vývodem REF/BYP a zemí obvykle omezí šum výstupního napětí v pásmu od 10 Hz do 100 kHz na 60 μV_RMS a dále zajišťuje i měkké spouštění systému. Nejmenší úroveň vstupního napětí vyžadovaná k zajištění regulace je rovna větší ze dvou hodnot – stabilizovanému výstupnímu napětí V_OUT navýšenému o úbytek napětí, resp. 1,14 V. Vývojovou desku vidíme na obr. 2.

Proudový limit s přesností ±12 % platnou napříč širokým teplotním rozsahem bude definován jediným rezistorem zapojeným mezi vývodem ILIM a zemí. Překročí-li rozdílové napětí mezi vstupem a výstupem velikost 5 V, může se nad vnějším proudovým omezením prosadit interní limitace s charakteristikou foldback.

Obvod LT3033 zajišťuje sledování výstupního proudu díky stažení vývodu IMON k zemi přes rezistor. Pin IMON je přitom vyvedeným kolektorem tranzistoru PNP zrcadlícího poměry na výstupním tranzistoru PNP stabilizátoru LT3033 s poměrem 1:2650. Napětí na rezistoru bude úměrné výstupnímu proudu, pokud ovšem není překročena úroveň V_OUT – 400 mV. Zapíšeme tedy:

I_OUT = 2650 × (V_IMON / R_IMON)

Výše zmíněná monitorovací funkce nyní umožňuje sdílet proud u většího počtu obvodů LT3033. Stabilizátor však navzdory svému miniaturnímu provedení rovněž nabízí řadu bezpečnostních prvků, včetně interního proudového omezení (Foldback), teplotní pojistky a ochran pro případ zpětného průtoku proudu či přepólování baterie.

Dva stabilizátory paralelně dodají 6 A

V aplikacích s požadavkem na odběry převyšující 3 A lze paralelně řadit více stabilizátorů LT3033 a těžit přitom z výhod vlastního monitorování proudu. Na obr. 3 vidíme příklad zapojení se dvěma paralelně spojenými obvody doplněnými dvojicí tranzistorů NPN 2N3904, takže ve výsledku obdržíme výstup 1,5 V @ 6 A. Jednotlivé vývody IN, resp. OUT jsou spojené dohromady. Jeden stabilizátor LT3033 zde slouží jako Master a řídí další LT3033 na pozici Slave.

S využitím vývodů IMON a proudového zrcadla s tranzistory NPN tak vzniká jednoduchý zesilovač dodávající proud zpětnovazebnímu děliči stabilizátoru Slave LT3033 s cílem vynutit si rovnost proudů IMON u každého stupně. Rezistory o velikosti 100 Ω znamenají při plném zatížení a pro zajištění dobrých výsledků proudového zrcadla pokles napětí na emitoru o 113 mV. Výstupní napětí prvku Slave LT3033 máme nastaveno na 1,35 V, tedy o 10 % níž, než je samotný výstup zapojení. Obvod Master může proto náležitě fungovat. Zpětnovazební rezistory struktury Slave LT3033 jsou rozděleny do několika částí a zajišťují tak dostatečný prostor pro NPN tranzistor podřízené části. Pod kmitočtovou kompenzací zpětnovazební smyčky se „podepisuje“ spojení kapacity 10 nF a rezistoru 5,1 kΩ u vývodu IMON prvku Slave.

Ačkoli může toto zapojení dodávat do zátěže 6 A, přesnost při sdílení proudu bude omezována nesouladem mezi oběma tranzistory NPN. Nevhodné spojení pak vyústí v nerovnoměrné přerozdělení tepelných ztrát na desce. Vyšší přesnosti proudového sdílení lze proto dosahovat s přizpůsobenými monolitickými tranzistory, např. MAT14 od Analog Devices [2], kterými dva diskrétní prvky NPN rovněž nahradíme. V případě MAT14 půjde o čtveřici tranzistorů NPN nabízejících vynikající shodu parametrů. Maximální odchylka zde u proudového zesílení činí 4 %.

Obr. 4 porovnává výstupní proudy u každého stabilizátoru LDO, a to buď s využitím diskrétních tranzistorů, nebo přizpůsobených struktur NPN. Proudové zrcadlo s MAT14 tak oproti prvkům 2N3904 snižuje nesoulad proudu z 5,3 % na 1,6 %.

4× LT3033 s přizpůsobenými součástkami

Architekturu paralelně řazených obvodů LT3033 lze podle potřeby dále rozšiřovat. Stačí jen upravit proudové zrcadlo a doplnit obvody Slave. Řešení se čtyřmi paralelně zapojenými stabilizátory LT3033 a tranzistory MAT14 pro sdílení proudu zachycuje obr. 5. Teplotní výsledky sledujeme na obr. 6. Čtveřice stabilizátorů LT3033 se přitom pohybuje mezi +51 °C a +58 °C. S přihlédnutím k úbytku napětí na vstupní trase každé součástky dochází na desce k rovnoměrnému rozložení tepelné zátěže a odkazuje to na vyvážené sdílení proudu v takovém zapojení. Přechodová odezva 12A zdroje s výstupním napětím 1,5 V, pracujícího ze vstupních 1,8 V, je znázorněna na obr. 7.

Závěr

LT3033 je 3A lineární stabilizátor VLDO v pouzdru o rozměrech 3 × 4 mm. K vykrytí vyšších odběrů lze navíc díky vlastní funkci sledování výstupního proudu paralelně zapojit i větší počet obvodů VLDO. S typickým napěťovým úbytkem 95 mV při plném zatížení se obvody LT3033 hodí pro aplikace s malým vstupním a stejně tak i výstupním napětím a vyššími odběry, zatímco dosahujeme účinnosti srovnatelné se spínanými měniči. Pro zajištění spolehlivého a robustního návrhu máme k dispozici i další funkce, včetně stavitelného proudového omezení, indikátoru Power Good či teplotní pojistky. Bateriově napájené systémy zase mohou těžit z nízké klidové spotřeby či ochrany proti přepólování.