如何利用LTpowerCAD電阻分壓器工具提高電源輸出調節精度

作者:ADI系統應用工程師Jose SanBuenaventura及應用總監 Henry Zhang


摘要

本文將展示如何為設計選擇正確的電源容差。具體來說,本文將使用LTpowerCAD電阻分壓器工具箱來展示如何使用元件容差,並估算輸出電壓中的相應誤差。透過這些資訊,設計人員就能正確決定其應用允許的容差。

簡介

幾乎任何電路中都能找到電源。從無線電收發器到微處理器、FPGA和放大器,電源模組必定存在於其中某個位置,它是任何類比或數位電路的重要組成部分。

如同任何其他元件,電源也具有很多形狀和形式。不同架構(例如線性穩壓器或切換模式穩壓器)各有優缺點,這導致在某些應用中會產生一種架構優於另一種架構的情況。在所有這些架構中,一個共同點是輸出通常由外部元件(尤其是回饋電阻)的組合決定。

在模擬工具的幫助下,我們可以設計電源以滿足必要的規格,並得出滿足規格的元件值。儘管模擬結果顯示較為理想,但實際情況則存在著侷限性。一個常見的例子是元件容差。實際上,電阻或電容等元件的額定值有所不同,容差就是用來描述這種差異的。輸出5 V信號的57 kΩ和23 kΩ電阻的模擬電阻組合,會與實際的57 kΩ和23 kΩ組合不同,因為元件存在差異。除了IC固有的誤差外,該容差也會影響直流輸出電壓的精度。

穩壓器輸出計算

ADI的許多穩壓器IC均具備一個輸出回饋接腳(FB或ADJ接腳)。因此,輸出電壓可以透過一對外部電阻RTOP和RBOT來設定,其中RTOP連接到VOUT和FB接腳,RBOT連接FB接腳和IC訊號接地接腳。通常標準IC數據手冊會提供如下公式:

Equation 1

其中VREF為IC內部基準電壓,用於回饋誤差放大器的內部輸入。我們以 LT3062線性穩壓器 的輸出電壓公式為例。圖1顯示其計算的輸出電壓。

Figure 1. The output voltage for LT3062.
圖1.LT3062的輸出電壓

利用內部產生並假定為準確的基準電壓(LT3062的VREF = 0.6 V),輸出分壓器回饋網路(R1和R2)決定IC調節的電壓位準。在LT3062公式中,還有一個來自IADJ的附加項,即從ADJ接腳流出的非理想偏置電流。其典型值為15 nA,但最高可達60 nA,如電氣特性(EC)表所示,其將導致額外的VOUT調節誤差。

表1.針對常見電壓輸出位準的LT3062 R1和R2組合
VOUT (V) R1 (kΩ) R2 (kΩ)
1.2 118 118
1.5 121 182
1.8 124 249
2.5 115 365
3 124 499
3.3 124 562
5 115 845
12 124 2370
15 124 3010

如果使用1%容差的R1和R2,那麼由電阻分壓器引起的總Vo誤差是多少——1%還是2%?對於某個應用,是否應該使用0.5%或0.1%容差的電阻?輸出電壓可能需要一定的精度,選擇合適的電阻非常重要。如果使用較高容差的電阻可以達到目標誤差,您可能不想使用容差非常低的電阻(它可能相當昂貴)。

LTpowerCAD電阻分壓器工具

為了協助設計,我們可以使用 LTpowerCAD®電阻分壓器 工具。LTpowerCAD是一款完整的電源設計程式,具備一個設計工具箱,其中包括電阻分壓器設計工具。電阻分壓器工具接受諸如所需輸出電壓位準VOUT和穩壓器基準電壓VREF(ADJ接腳或FB接腳電壓)之類的輸入,然後根據所選容差推薦能夠實現所需電壓的市售標準電阻值。使用此工具估算兩個誤差:1) 由標準分立標準電阻值引起的誤差。請注意:對於給定VOUT和VREF,該工具會自動選擇最佳匹配的標準電阻值對以使此誤差最小,因而實際VOUT最接近目標值。2) 對於給定的VOUT和VREF組合,由電阻容差引起的誤差。事實上,使用一對精度為1%的電阻分壓器時,分壓器有效容差將是分壓比的函數,範圍在1%到2%之間。LTpowerCAD電阻分壓器工具將這兩個誤差相加以獲得電阻分壓器總容差。這讓工程師可以輕鬆查看總誤差,進而確定滿足最終目標需要何種水準的電阻容差(0.1%、0.5%、1%還是2%)。

Figure 2. Open the resistor divider tool in the LTpowerCAD Toolbox.
圖2.打開LTpowerCAD工具箱中的電阻分壓器工具
Figure 3. LTpowerCAD resistor divider tool: resistor pair recommendation.
圖3.LTpowerCAD電阻分壓器工具:電阻對推薦

該工具還能在給定頂部或底部電阻(用戶輸入)時求取另一電阻值,同時考慮目標或允許的元件容差。

除了提供推薦電阻值之外,該工具還會顯示與元件容差相關的誤差計算(相對於理想和實際VOUT)。

有了這些參數,在給定元件容差的情況下,設計人員便可大致瞭解預期電壓範圍,並評估它是否適合目標應用。

最後,該工具還能為任何給定值找出標準值電阻,以幫助簡化元件搜索。

其他誤差和注意事項

需要指出的是,此電阻分壓器工具僅估計電阻分壓器導致的直流誤差。它不包括其他直流誤差,而要獲得總電源VOUT調節精度,應將這些誤差加到電阻分壓器誤差上。這些額外的誤差包括:1) IC內部基準電壓VREF誤差,其典型值在0.5%到1.5%範圍內,可以在IC數據手冊EC表中找到;2) 電源電壓和負載調整率誤差,這些也可以在IC EC表中找到;3) ADJ或FB接腳漏電流誤差,例如在LT3062示例中,RBOT值應比較低以減少該誤差;4) 本地IC和遠端負載元件之間的PCB電阻引起的其他誤差等。設計電源時,總誤差估計應考慮到所有這些誤差。

此外,高精度電子系統還可能對總電源輸出電壓容差有嚴格要求,包括直流誤差和交流漣波。例如,許多大電流ASIC和FPGA要求±2%或±3%的總容差視窗,其中包括直流誤差和交流漣波。為滿足這一項嚴格要求,電源設計必須提供快速瞬態響應,並具有大輸出電容,以使快速負載階躍瞬態期間的VOUT漣波最小化。在這種情況下,選擇具有極小VREF容差的IC非常重要。高電流軌需要具有遠端電壓檢測能力的穩壓器。此外,相較於使用0.5%甚至0.1%電阻造成的成本小幅上升,輸出電容節省的空間和成本多出許多。使用整合模組也很有幫助,例如 ADI LTM 系列µModule®穩壓器,它指定了完整高性能電源解決方案的總直流調節容差(包括VREF、電壓和負載調整率誤差)。

Figure 4. LTpowerCAD resistor divider tool: R<sub>TOP</sub> or R<sub>BOTTOM</sub> solver.
圖4.LTpowerCAD電阻分壓器工具:RTOP或RBOTTOM求解器
Figure 5. LTpowerCAD resistor divider tool: voltage error computations.
圖5.LTpowerCAD電阻分壓器工具:電壓誤差計算
Figure 6. LTpowerCAD resistor divider tool: standard resistance finder.
圖6.LTpowerCAD電阻分壓器工具:標準電阻查找器

結論

各種目標應用都需要一定水準的電源VOUT容差。幾毫伏的誤差可能是不同系統的一個關鍵方面,因此必須滿足適當的設計要求。

影響穩壓器精度的一個外部可控因素是元件容差。使用容差為0.5%的電阻與使用容差為2%的電阻之間的差異,可能會對系統性能產生重大影響,而選擇正確的元件可以減少出錯的可能性。選擇合適的元件還有助於大幅降低成本並提高可靠性,因為這樣就不需要更換元件,或者更換次數大幅減少。

利用LTpowerCAD電阻分壓器工具,工程師可以觀察元件容差對其電源設計的影響。透過初步選擇目標輸出電壓和基準接腳電壓,設計人員可以:(1) 為目標電壓獲得最佳匹配的標準電阻對,(2) 求解頂部或底部電阻,以及 (3) 實現所需範圍的電壓誤差(由電阻分壓器容差引起)。

憑藉其提供的功能,加上標準電阻查找器,該電阻分壓器工具已被證明對電源設計大有幫助,尤其是可以協助初涉電源設計的工程師熟悉這一領域。工程師使用此工具可以設計出符合目標應用所需規格的電源,並確保向不同系統模組提供優化的性能和功率。