耐輻射低壓降穩壓器 (LDO) 是許多航太級子系統（包括現場可程式設計閘陣列 (FPGA)、資料轉換器和類比電路）的重要電源元件。LDO 有助於確保為性能取決於乾淨輸入的元件提供穩定的低雜訊和低紋波電源。
但是，市場中有如此多的LDO，如何為子系統選擇合適的耐輻射器件呢？讓我們看看一些設計規格和器件特性，以幫助您做出這個決定。
航太級LDO的壓降
LDO的壓降是輸入電壓和輸出電壓之間的電壓差，在該電壓差下 LDO 停止調節輸出電壓。壓降規格越小，能夠實現的工作電壓差就越小，從而使功率耗散和熱耗散更少，並從本質上提高最大效率。這些優勢在更高的電流下會變得更加顯著，如公式 1 所示：
LDO 功率耗散 = (VIN - VOUT) x IOUT (1)
在耐輻射方面，很難找到在輻射、溫度和老化方面提供強大性能的真正低壓降穩壓器。例如，TI 的耐輻射 LDO TPS7H1101A-SP 能夠在 3A 電流下提供 210mV 的典型壓降 (Vdo)，該壓降目前在市場上屬於超低水準。如果您有標準的 5V、3.3V、2.5V 或 1.8V 電源軌可用，該LDO 可以將輸出電壓調低至 0.8V 以提供任何所需的電壓，以及一個或多個航太級模數轉換器 (ADC) 或時鐘所需的電流。
航太級LDO的雜訊性能
隨著衛星在太空中運行10年或更長時間，使機載積體電路充分發揮性能有助於確保設計壽命。為了向高性能時鐘、資料轉換器、數位訊號處理器或模擬元件提供乾淨、低雜訊的電源軌，LDO 電路需產生超小的內部雜訊。由於不容易濾除內部產生的 1/f 雜訊，因此應採用具有固有低雜訊特性的 LDO。低頻雜訊通常是最大的，也是最難濾除的。TPS7H1101A-SP 提供超低的 1/f 雜訊水準，在 10Hz 頻率下的峰值約為 1µV/√Hz。有關 RMS 雜訊隨頻率變化的情況，請參閱下面的圖 1。
圖 1：TPS7H1101A-SP 雜訊
航太級 LDO 的 PSRR
電源抑制比 (PSRR) 用於衡量 LDO 清除或抑制由上游其他元件傳入雜訊的能力。對於高端 ADC，為了更大限度地減少位元錯誤，輸入電源雜訊要求不斷提高。鑒於控制環路的特性，在較高的頻率下，很難獲得高PSRR。通常，設計人員需要使用外部元件來濾除雜訊，從而達到可接受的有效 PSRR，但會增加解決方案尺寸 – 這對於航太應用而言是一個明顯的問題，因為尺寸和重量會直接影響衛星發射成本。在上游電源的開關頻率下，需要特別注意 PSRR（因為在該頻率下存在電壓紋波）。此外，由於開關諧波的影響，在該頻率下也要妥善考慮 PSRR。如果您期望實現出色的 PSRR，TPS7A4501-SP LDO 可在 100kHz 的頻率下提供超過 45dB 的 PSRR。
其他重要的 LDO 特性
除壓降、PSRR 和雜訊之外，讓我們看看實現耐輻射 LDO 性能不可或缺的幾項出色特性。
• 使能。在太空中，太陽能電池板只能提供一定的電能，而許多功能都依靠電能才能運行。利用使能特性，您可以在任何給定的時間指定 LDO 是打開還是關閉，事實證明，該特性對於節省整體功率預算而言至關重要。使能引腳對於上電時序而言也很重要，而新一代 FPGA 對上電時序的需求越來越大。
• 軟啟動。電壓上升過快可能會導致電流過沖或過大的峰值浪湧電流，從而損壞 FPGA 或 ADC 等下游器件。軟啟動特性可調節啟動時輸出電壓上升的速度。軟啟動還可以防止上游電源產生過電流，從而防止出現不可接受的電壓下降。
• 輸出電壓精度。通常，Xilinx KU060 等較新的航太級 FPGA 對每個電源軌都有嚴格的輸入電壓容差要求，以實現最佳性能。為確保您的設計在輻射暴露和壽命終止條件下滿足嚴格的精度要求，請採用 TPS7H1101A-SP 等器件，該器件位於 KU060 開發板上。
• 尺寸。除了採用易於佈局的小型封裝之外，減小解決方案尺寸的其他方法包括限制 LDO 的外部元件數量，實現更多集成功能、更好的 PSRR 和雜訊規格，以及在單粒子效應下實現更可靠的耐輻射性能。TI 的 TPS7A4501-SP 在封裝尺寸、佈局和解決方案尺寸方面都是一款業界超小的耐輻射 LDO。
結語
面對如此多的器件，選擇一款合適的 LDO 可能很困難，應從哪些功能和特性最重要的角度考慮。例如，如果您的應用要為高端 FPGA 或高速資料轉換器供電，則輸出電壓精度、基準精度、PSRR 和雜訊等特性可能是需要優先考慮的因素。不過，如果您要設計低性能類比電路或使用容差要求不那麼嚴格的舊 FPGA，那麼在保持適當功能的同時擁有尺寸超小、成本超低的解決方案可能是更好的選擇。
其他資源
• 閱讀白皮書“為新時代的高性能航太級 Xilinx FPGA 供電”。
• 下載 TI 航太產品指南。
• 下載電子產品輻射手冊。
關於德州儀器(TI)
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