Low-Dropout-Regler
Negative Spannungen erzeugen
Eine symmetrische Stromversorgung verarbeitet Wechselspannungssignale ohne DC-Offset. Negative Versorgungsleitungen sind in den wesentlichen Funktionsblöcken von ICs wie D/A- und A/D-Wandlern, Operationsverstärkern und beim Biasing von GaAs-FETs nötig. Des Weiteren sind negative Versorgungen wichtig in Applikationen wie Prozesssteuerungen, wo bipolare Signale vorhanden sind. So bewirken zum Beispiel in der Motorsteuerung positive Spannungen eine Umdrehung im Uhrzeigersinn und negative eine entgegengesetzte. Wie lassen sich negative Spannungen elegant erzeugen?
Low-Dropout-Regler (LDOs) mit negativer Ausgangsspannung liefern auf elegante Weise »saubere« negative Versorgungsspannungen. Dabei existieren eine Reihe derartiger Applikationen einschließlich Industrie- (CCD- und IR-Kameras, Labor/Testausrüstung Datenerfassungssysteme, Blut/Glukosegeräte, Antriebe, Vibrationstests, Leistungsanalysatoren), Medizin- (MRI-Geräte, Dental-Röntgensysteme, Ultraschallgeräte, Blutanalysatoren, Endoskope), Kommunikations- (optische Module, LWL-Transceiver), Automotive (Antennen) und HF-Anwendungen (Radios, optische Transceiver, Leistungsverstärker, Präzisionsmessgeräte).
Traditionell versorgen invertierende und nicht invertierende Ladungspumpen diese Applikationen. Sie bieten niedrige Ausgangsspannungen und erzeugen nur wenig Verlustwärme. Negativ wirken sich die Kosten aus, manchmal die Komplexität, und das Ausgangsrauschen.
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Durch verbesserte LDO-Designtechniken - einschließlich geringerer Referenzspannungen und geringerem Spannungsabfall für effizienteren Betrieb - sind vermehrt LDOs in diesen Applikationen zu finden. Allerdings benötigen solche Bauteile ein wenig mehr Überlegungen beim Einsatz als ihre positiven Gegenstücke. Denn einige negative Versorgungen müsse präzise geregelt werden, und in vielen Fällen sind geringes Rauschen, schnelles Ansprechen auf Transienten sowie eine gute Unterdrückung der Versorgungsspannungseinflüsse nötig.
Mit diesen Anforderungen im Blick hat Linear Technology den »LT3015« für bis zu 1,5 A Ausgangsstrom entwickelt (Bild 1), das Gegenstück zum Positiv-LDO »LT1963A«. Mit seinem Eingangsbereich von -1,8 V bis -30 V und der einstellbaren Ausgangsspannung von -1,220 V bis -29,5 V benötigt der Common-Emitter-NPN-Leistungstransistor im LT3015 nur eine einfache Stromversorgung, und der Spannungsabfall beträgt 310 mV (typisch bei Volllast).
Das Rauschen der Ausgangsspannung beträgt 60 µV (RMS) über eine Bandbreite von 10 Hz bis 100 kHz. Der LT3015 benötigt selber einen Betriebsstrom von 1,1 mA und zieht abgeschaltet weniger als 1 µA. Der Ruhestrom wird auch im Dropout beherrscht. Der LT3015 eignet sich für negative Logikversorgung, rauscharme Messtechnik, Industriestromversorgungen und für Schaltnetzteile mit Vorregler.
Die Referenzverstärker-Topologie des LT3015 sorgt für präzise DC-Eigenschaften und auch eine gute Schleifenstabilität für einen extrem breiten Bereich an Ausgangskapazitäten einschließlich kleiner preiswerter Keramikkondensatoren. Der LDO ist mit einem Ausgangskondensator von 10 µF stabil. Die kleinen externen Kondensatoren können ohne zusätzlichen Serienwiderstand auskommen. Der LT3015 verfügt über eine bidirektionale Abschaltmöglichkeit, die es ermöglicht, an positiven oder negativen Logikpegeln zu arbeiten. Zusätzlich lässt sich durch die Präzision des Bausteins die Abschaltschwelle am Anschluss SHDN verwenden, um eine programmierbare Unterspannungsschwelle (UVLO) am Eingang des Reglers einzustellen.
Die internen Schutzschaltungen des ICs umfassen den Rückstromschutz am Ausgang und eine Strombegrenzung mit Spannungsreduzierung, um den Leistungstransistor im sicheren Arbeitsbereich zu halten, sowie eine thermische Begrenzung mit Hysterese. Der LT3015 ist im 0,75 mm hohen und 3 mm x 3 mm großen, 8-poligen DFN oder 12-poligen MSOP jeweils mit rückseitigem Thermopad erhältlich, ebenso im bedrahteten TO-220-Gehäuse und als DD-Pak in SMD. Der Betriebstemperaturbereich reicht je nach Ausführung von -55 °C bis +125 °C.
»Coole« Merkmale
Das Design des LT3015 bietet verschiedene Merkmale, um in jeder Applikation Einfachheit und hohe Leistung bieten zu können. Der Fehlerverstärker mit der großen Verstärkungsbandbreite ermöglicht schnelles Ansprechen auf Transienten und eine starke Unterdrückung von Einflüssen der Versorgungsspannung (Power Supply Rejection Ratio, PSRR). So erzielt der Baustein ein PSRR von über 25 dB sogar bis 10 MHz.
Die Strombegrenzung des LT3015 auf ±15% ist besonders in Applikationen nützlich, in denen der LDO von einem vorgeschalten Frontend-Schaltregler versorgt wird. Diese Präzision ermöglicht eine enge Regelung und kleine Induktivitäten, die wenig Platz brauchen. Der LT3015 bietet ein Ausgangsrauschen von 60 µV (RMS) ohne externen Bypass-Kondensator. Damit vereinfacht sich das Design weiter. Der Regler lässt eine Vielzahl von Schaltungsimplementierungen zu. Bild 2 zeigt die Parallelschaltung zweier LT3015 in einer Master-Slave-Konfiguration, um höhere Ausgangsströme zu erzielen. Jede Differenz in den Eingangsströmen des Reglers wird im Operationsverstärker »LT1366« verstärkt, was einen Strom in den Widerstandsteiler des Slave-Regulator induziert, der wiederum einen Ausgleichstrom zur Balance zwischen den Reglern bewirkt.
Es bleibt zu bemerken, würde man zwei Regler ohne Operationsverstärker parallelschalten, würden kleine Variationen zwischen den zwei Referenzspannungen den Regler mit der höheren Referenzspannung dazu zwingen, den Löwenanteil des Laststromes zu tragen.
Der Widerstand R5 wird so gewählt, dass er nicht den exzessiven Stromswing am Ausgang des Operationsverstärkers übernimmt. Dadurch bringt er den ADJ-Anschluss des Slaves ins Gleichgewicht. Überdies stabilisiert R5 durch Abkopplung des Kompensationskondensators C3 am ADJ-Anschluss des Slave-Reglers die Regelschleife.
Zur Parallelschaltung mehrerer Regler ist je Regler ein zusätzlicher Operationsverstärker und ein zusätzlicher Fühlerwiderstand nötig - eben eine Vervielfachung des Slave-Reglers, wie in Bild 2 gezeigt. Linear Technology bietet ein breites Angebot an negativen und kombinierten zweifach negativ/positiv-LDOs mit Ausgangsströmen von 200 mA bis 3 A (Tabelle 1).
Über den Autor:
Steve Knoth ist Senior Product Marketing Engineer in der Power Products Group von Linear Technology.
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