提高極低壓差穩壓器輸出電流， 實現均勻散熱並聯設計
前言：
作者：ADI 資深應用工程師Molly Zhu 及現場應用工程師 Fei Guo
簡介
每一代新的運算系統總是比上一代產品要求更高的總功率和更低的電源電壓，進而使電源設計人員面臨在更小面積上保持更高輸出電流的難題。在高功率密度和低輸出電壓條件下，散熱問題上升為主要設計考慮因素，尤其是對於低雜訊應用中的線性穩壓器而言。並聯LDO穩壓器可提高電源電流並減少散熱，從而降低任何特定元件的溫升幅度以及所需的散熱元件尺寸和數量。
本文說明如何將3 A LT3033極低壓差穩壓器(VLDO)並聯產生3 A以上電流並改善散熱情況。利用LT3033的內建輸出電流監測功能可以簡化並聯電路的設計，實現均流。
LT3033 輸入電壓範圍是1.14 V至10 V， 輸出電壓可低至0.2 V，負載電流可達3 A。在滿負載時的壓差僅95 mV。工作時靜態電流為1.8 mA，關斷時降至22μA。可由用戶設定的限流功能和熱保護使其具有高電流、低電壓應用所必需的穩固性。
參考設計：3 A、單VLDO應用
圖1顯示LT3033透過1.2V輸入電源提供0.9V、3A的輸出。IN和OUT接腳需要至少10 μF的極低ESR陶瓷電容，以保持穩定性。在VOUT和ADJ接腳之間增加一個前饋電容 (CFF) ，可改善瞬態響應並降低輸出電壓雜訊。在REF/BYP接腳到GND之間設定10 nF旁路電容通常可在10 Hz至100 kHz頻寬內將輸出電壓雜訊降至60 μV rms，並軟啟動基準電壓源。調節所需的最小輸入電壓等於調節輸出電壓 VOUT 加上壓差或1.14 V，取其較大值。展示板見圖2。
圖1.LT3033典型應用。
圖2.LT3033展示板。
用戶可透過在ILIM接腳與GND之間連接一個電阻自行設定限流值，在寬廣溫度範圍內精度可達±12%。當輸入與輸出的差分電壓超過5 V時，具有折返功能的內部限流會取代外部限流。
LT3033透過測量IMON到GND的電阻電壓實現輸出電流監測。IMON接腳是晶片內部PNP的集電極，其以1:2650的比率鏡像LT3033輸出PNP的電流。當電阻電壓不高於 VOUT – 400 mV時，其與輸出電流成正比。
該輸出電流監測功能有助於實現多個LT3033的均流。
儘管LT3033的尺寸很精巧，但其仍然整合了許多保護功能，包含具有折返功能的內部限流、熱限制、反向電流和電池反接保護。
兩個LT3033並聯用於6 A應用
對於需要3 A以上電流的應用，可以利用其電流監測功能將多個LT3033並聯。圖3顯示兩個LT3033以及兩個2N3904 NPN元件透過並聯，以產生1.5 V、6 A輸出。每個元件的IN接腳和OUT接腳分別相連。一個LT3033充當主元件，控制另一個LT3033從元件。
將IMON接腳與NPN電流鏡組合使用，可創建一個簡單的放大器。該放大器將電流注入LT3033從元件的回饋分壓器中，強制使每個LT3033的IMON電流相等。100 Ω電阻可在滿負載條件下提供113 mV的發射極負反饋，以確保良好的電流鏡匹配。LT3033從元件的輸出電壓設定為1.35 V，比電路輸出低10％，以確保LT3033主元件掌握控制權。LT3033從元件的回饋電阻拆分成多個區段，以確保為從元件的NPN提供足夠的餘裕。從元件的IMON接腳上增加了一個10 nF電容和5.1 kΩ電阻的組合，對回饋迴路進行頻率補償。
圖3.兩個LT3033並聯。
儘管該電路可以提供6 A的負載電流，但由於兩個NPN元件之間的失配導致電路板上熱量分佈不均勻，進而限制了均流精度。使用匹配的單晶片電晶體（例如，ADI MAT14 ）取代兩個分立式NPN元件，可以獲得更高的均流精度。MAT14為一款四通道單晶片NPN電晶體，具有卓越的參數匹配性能。其最大電流增益匹配為4%。
圖4比較了使用分立式和匹配的NPN元件時每個LDO穩壓器的相應輸出電流。相對於2N3904，MAT14電流鏡的電流失配率從5.3%降至1.6%。
圖4.透過使用匹配的MAT14單晶片四通道三極管和並聯LDO穩壓器，降低了均流失配。
使用匹配元件並聯四個LT3033，以實現平衡均流和均勻散熱
透過擴展電流鏡和增加LT3033從元件，該並行電路架構可根據需要擴展，使用更多LT3033。圖5顯示使用MAT14、四個LT3033並聯的均流解決方案。熱性能如圖6所示。四個LT3033的溫度在51°C至58°C範圍內。考慮每個元件沿輸入佈線的壓降，電路板上散熱均勻，表示該解決方案實現了平衡均流。圖7顯示在1.8 V輸入下運作提供1.5 V輸出、12 A電源的瞬態響應。
圖5.採用MAT14，四個LT3033並聯。
圖6.四個LT3033並聯時的熱性能。
圖7.四個LT3033並聯的負載瞬態響應。
結論
LT3033為一款3A VLDO穩壓器，採用3 mm × 4 mm封裝。其內建輸出電流監測功能，將多個LT3033 VLDO穩壓器並聯即可用於大電流應用。LT3033在滿負載條件下的典型壓差僅為95 mV，非常適合低輸入電壓至低輸出電壓的大電流應用，可比擬開關穩壓器的電效率仿。其他特性包括可設定限流、電源良好標誌和熱限制，因此能提供可靠和穩定的解決方案。電池供電系統並可受益於低靜態電流和電池反接保護。
