LT3042

Linear

Wenn es um die Stromversorgung von rauschempfindlichen Analog-/HF-Applikationen geht, dann werden allgemein LDO-Linearregler (Low Dropout) Schaltreglern vorgezogen. Rauscharme LDOs versorgen Frequenzsynthesizer (PLLs, VCOs), HF-Mischer und –Modulatoren sowie schnelle Datenwandler (ADCs und DACs) mit hoher Auflösung und präzise Sensoren. Nichtsdestotrotz haben diese Anwendungen Fähigkeiten und Empfindlichkeiten erreicht, die konventionelle rauscharme LDOs an ihre Grenzen bringen.

Beispielsweise beeinflusst in vielen High-End-VCOs die Stromversorgung direkt das Ausgangsphasenrauschen (Jitter) des VCOs. Um darüber hinaus alle Anforderungen an den Wirkungsgrad des Systems zu erfüllen, regelt der LDO den Ausgang eines relativ verrauschten Schaltreglers nach, so dass der hochfrequenten Störspannungsunterdrückung (PSRR, Power Supply Rejection Ratio) des LDOs allerhöchste Bedeutung zukommt. Mit seinem extrem geringen Ausgangsrauschen und seiner extrem hohen PSRR kann der LT3042 einige der rauschempfindlichsten Anwendungen direkt versorgen, wobei die Nachregelung des Ausgangs eines Schaltwandlers keine umfangreiche Filterung erfordert. Tabelle 1 vergleicht das Rauschverhalten des LT3042 mit dem von rauscharmen konventionellen Reglern.

Eckdaten

Der Hochleistungs-Low-Dropout-Linearregler LT3042 von Linear Technology ist extrem rauscharm und hat eine mit extrem hoher Störspannungsunterdrückung von bis zu 80 dB. Er kann Schaltreglern nachgeschaltet werden und versorgt rauschempfindliche Anwendungen wie Frequenzsynthesizer, HF-Mischer und –Modulatoren sowie schnelle Datenwandler und Präzisionssensoren.

Tabelle 1: Der LT3042 im Vergleich zu traditionellen rauscharmen LDOs.

Tabelle 1: Der LT3042 im Vergleich zu traditionellen rauscharmen LDOs. Linear

Leistung, Robustheit & Einfachheit

Der LT3042 ist ein Hochleistungs-Low-Dropout-Linearregler, der in der von Linear Technology entwickelten extrem rauscharmen proprietären Architektur mit extrem hoher Betriebsspannung-Störunterdrückung aufgebaut ist, um rauschempfindliche Anwendungen zu versorgen. Doch trotz seiner hohen Leistungsfähigkeit wurde der LT3042 einfach und robust entworfen. Bild 1 zeigt eine typische Anwendung und Bild 2 ein komplettes Demoboard. Das winzige DFN-Gehäuse mit 3 × 3 mm2 Kantenlänge des LT3042 und die minimalen Anzahl an externen Komponenten halten die Ausmaße der Schaltung klein.

Bild 1: Innenleben und typische Beschaltung des  LT3042.

Bild 1: Innenleben und typische Beschaltung des LT3042. Linear

Entwickelt als eine präzise Stromreferenz, gefolgt von einem Hochleistungs-Spannungspuffer, kann der LT3042 einfach parallel geschaltet werden, um den Ausgangsstrom zu erhöhen, die erzeugte Wärme über die Leiterplatte zu verteilen und das Rauschen weiter zu verringern – das Ausgangsrauschen nimmt mit der Quadratwurzel der Anzahl der parallel geschalteten Bausteine ab. Seine auf einer Stromreferenz basierende Architektur bietet einen weiten Ausgangsspannungsbereich (0 V bis 15 V), wobei der Betrieb bei Verstärkung 1 beibehalten bleibt, was wiederum zu einem nahezu konstanten Ausgangsrauschen, konstanter PSRR, Bandbreiten- und Lastregelung sowie Unabhängigkeit von der programmierten Ausgangsspannung führt.

Bild 2: Demonboard des LT3042.

Bild 2: Demonboard des LT3042. Linear

Zusätzlich zu seinem extrem geringen Rauschen und extrem hoher PSRR hat der LT3042 Eigenschaften, wie sie in modernen Systemen erwünscht sind, wie eine programmierbare Ausgangsstrombegrenzung, programmierbare Power-Good-Schwellwerte und ein schnelles Einschaltverhalten. Darüber hinaus enthält der LT3042 Schutzfunktionen für batteriebetriebene Systeme. Seine Schutzschaltung toleriert bei Verpolung negative Spannungen am Eingang, ohne das IC zu zerstören oder negative Spannungen am Ausgang zu erzeugen – und wirkt damit praktisch wie eine ideale Diode, die in Reihe mit dem Eingang geschaltet ist. In Batterie-Backup-Systemen, in denen der Ausgang höher als der Eingang gehalten werden kann, verhindert der Verpolschutz zwischen Ein- und Ausgang des LT3042, dass zurücklaufende Ströme in die Stromversorgung fließen. Der LT3042 enthält eine interne Begrenzung des zurück laufenden Stroms sowie einen Überhitzungsschutz mit Hysterese, damit bei Übertemperatur kein unerwünschtes Abschalten stattfindet.

Bild 3: Der LT3042 weist zwischen 10 Hz und 100 kHz ein deutlich verbessertes Ausgangsrauschen .

Bild 3: Der LT3042 weist zwischen 10 Hz und 100 kHz ein deutlich verbessertes Ausgangsrauschen . Linear

Extrem geringes Ausgangsrauschen

Mit seinem Ausgangsrauschen von 0,8 µVRMS (Saubere Messungen von Rauschen und PSRR bei diesen geringen Pegeln erfordern extrem hohe Sorgfalt und Spezialmessgeräte. Diese Messungen werden in einer demnächst erscheinenden Applikationsschrift von Linear Technology ausführlich behandelt) im Band zwischen 10 Hz bis 100 kHz ist der LT3042 der erste Regler der Branche mit einem Rauschen unter 1 µVRMS. Bild 3 vergleicht das integrierte Ausgangsrauschen des LT3042 zwischen 10 kHz und 100 kHz mit dem des LT1763, dem Regler von Linear Technology, der über eine Dekade lang das geringste Rauschen aufwies. Das extrem geringe Rauschen des LT3042 ermöglicht Anwendungen, die bislang nicht möglich waren, oder ansonsten umfangreiche und sperrige Filterkomponenten erforderten.

Der Kondensator CSET am SET-Pin leitet das Rauschen des Referenzstroms, das Basis-Stromrauschen (der Eingangsstufe des Fehlerverstärkers) und das dem SET-Pin-Widerstand (RSET) inhärente thermische Rauschen ab. Wie in Bild 4 dargestellt, wird das Rauschen bei niedrigen Frequenzen mit ansteigendem CSET signifikant verbessert. Mit einer Kapazität von 22 µF liegt das Ausgangsrauschen bei 10 Hz unter 20 nV/Hz. Man beachte, dass Kondensatoren ebenfalls 1/f-Rauschen erzeugen können, insbesondere Elektrolytkondensatoren. Um das 1/f-Rauschen zu minimieren, sollten am SET-Pin Keramik-, Tantal- oder Folienkondensatoren zum Einsatz kommen.

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Bild 4: Spektrale Rauschdichte.
Bild 5: Integriertes RMS-Rauschen (10 Hz bis 100 Hz).
Bild 6: Schnelle Startup-Fähigkeit.

Das aktive Treiben des SET-Pins entweder mit einer Batterie oder einer Spannungsreferenz mit geringerem Rauschen reduziert das Gesamtrauschen unter 10 Hz. Auf diese Weise wird das Rauschen des Referenzstroms bei geringen Frequenzen grundsätzlich eliminiert, wodurch nur noch das extrem geringe Rauschen des Fehlerverstärkers übrig bleibt. Diese Fähigkeit, den SET-Pin zu treiben ist ein weiterer Vorteil der Stromreferenzarchitektur. Das enthaltene RMS-Rauschen verbessert sich ebenfalls mit größeren Kapazitätswerten am SET-Pin und fällt mit einem CSET von 2,2 µF auf unter 1 µVRMS, wie Bild 5 zeigt.

Das Erhöhen des Wertes des Bypass-Kondensators am SET-Pin für ein geringeres Ausgangsrauschen führt allgemein zu einer verlängerten Startup-Zeit. Die schnelle Startup-Schaltung des LT3042 mindert diesen Kompromiss. Diese schnelle Startup-Schaltung ist mit zwei Widerständen einfach zu konfigurieren. Bild 6 zeigt die deutliche Verbesserung der Startup-Zeit.

Extrem hohe Störspannungsunterdrückung (PSRR)

Die hohe PSRR des LT3042 ist wichtig, wenn man rauschempfindliche Anwendungen mit Strom versorgt. Bild 7 zeigt die unglaublich geringe und hochfrequente PSRR – sie erreicht bereits 120 dB bei 120 Hz, 79 dB bei 1 MHz und über 70 dB bis hinauf zu 3 MHz. Wie Bild 8 illustriert, wird die PSRR bei abnehmenden Lastströmen noch besser.

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Bild 7: PSRR-Verhalten
Bild 8: PSRR bei verschiedenen Lastströmen.
Bild 9: PSRR abhängig von Unterschieden zwischen Ein- und Ausgang.

Anders als andere LDOs deren Störspannungsunterdrückung sich auf einige zehn dB verschlechtert, wenn sie den Dropout erreichen, bleibt die hohe PSRR des LT3042 selbst bei kleinen Spannungsunterschieden zwischen Eingang und Ausgang erhalten. Der LT3042 behält eine PSRR von 70 dB bis zu 2 MHz bei, bei nur 1 V Unterschied zwischen Ein- und Ausgang, bei einem geringen Unterschied von 600 mV sind es noch 60 dB. Diese Fähigkeit erlaubt es dem LT3042 Schaltwandler, bei geringen Unterschieden zwischen Ein- und Ausgangsspannungen effizient nachzuregeln, wobei seine Störspannungsunterdrückung die Anforderungen an rauschempfindliche Applikationen erfüllt.

Bild 10: Der LT3042 regelt den Silent-Switcher-Regler LT8614 nach.

Bild 10: Der LT3042 regelt den Silent-Switcher-Regler LT8614 nach. Linear

Das Nachregeln eines Schaltwandlers

In Anwendungen, in denen der LT3042 den Ausgang eines schaltenden Wandlers nachregelt, muss man Sorgfalt bei der elektromagnetischen Kopplung vom Schaltwandlerausgang zu Eingang des LT3042 walten lassen, um eine extrem hohe Störspannungsunterdrückung bei hohen Frequenzen zu erzielen. Daher sollte insbesondere die „heiße Schleife“ des Schaltwandlers so klein wie möglich sein. Die „warme Schleife“ (mit Wechselströmen in Schaltfrequenz), die vom Schalt-IC, dem Ausgangskondensator (für einen Abwärtswandler) und der Ausgangsspule gebildet wird, sollte ebenfalls klein gehalten werden. Zudem sollte sie entweder abgeschirmt sein oder mehrere Zentimeter von einem extrem rauscharmen Baustein wie dem LT3042 und seiner Last platziert werden. Während die Orientierung des LT3042 hinsichtlich der „warmen Schleife“ auf eine minimale magnetische Kopplung hin optimiert werden kann, kann es in der Praxis eine große Herausforderung sein, 80 dB Rauschunterdrückung nur mit einer optimierten Orientierung zu erreichen – dazu können mehrfache Schritte auf der Baugruppe erforderlich sein.

Bild 10 zeigt den vom LT3042 nachregelten Silent-Switcher-Regler LT8614, der bei 500 MHz läuft und ein EMI-Filter (elektromagnetische Interferenz) an seinem Eingang hat. Da der LT3042 nur rund drei bis fünf Zentimeter vom Schaltregler und seinen externen Komponenten entfernt ist, wird ohne Schirmung bei 500 kHz bereits eine Unterdrückung von 80 dB erzielt.

Bild 11a: Nachregelung aus Bild 10 ohne Kondensator am Eingang des LT3042.

Bild 11a: Nachregelung aus Bild 10 ohne Kondensator am Eingang des LT3042. Linear

Zuviel des Guten

Die hohe Ripple-Unterdrückung ist jedoch nur zu erreichen, wenn die Stützkapazitäten zwischen beiden Reglern richtig platziert und nicht zu groß dimensioniert werden. Bild 11a zeigt deutlich, dass  die 22 µF dicht am Ausgang des Schaltreglers genügen und der LT3042 ohne einen eigenen Eingangskondensator gut glättet. Ein zusätzlicher 4,7-µF-Kondensator direkt am Eingang des LT3042 hingegen verschlechtert die Störspannungsunterdrückung um das Zehnfache, was Bild 11b verdeutlicht.

Dies ist sonderbar, denn das Hinzufügen einer Eingangskapazität reduziert allgemein die Ausgangswelligkeit. Im Falle von 80 dB Störspannungsunterdrückung aber beeinflusst die magnetische Kopplung, die üblicherweise vernachlässigbar ist, die Ausgangswelligkeit signifikant. Das rüht von den moderaten hochfrequenten 500-kHz-Schaltströmen her, die durch diesen 4,7-µF-Kondensator fließen. Das Ändern der Orientierung des 4,7-µF-Kondensators und seiner Leiterbahnen zum Ausgang des Schaltreglers hilft dabei, die magnetische Kopplung zu minimieren. Es bleibt dennoch eine Herausforderung, bei diesen Frequenzen eine Verringerung der Störspannung um 80 dB zu erzielen, wobei die möglicherweise notwendigen mehrfachen Änderungsschritte der Baugruppe noch nicht erwähnt sind.

Bild 11b: Nachregelung aus Bild 10 mit einem 4,7-µF-Kondensator am LT3042-Eingang.

Bild 11b: Nachregelung aus Bild 10 mit einem 4,7-µF-Kondensator am LT3042-Eingang. Linear

Die relativ hohe Eingangsimpedanz des LT3042 verhindert, dass hochfrequente AC-Ströme in seinen Eingang fließen. Solange der LT3042 weniger als sieben Zentimeter entfernt vom Ausgangskondensator der vorregelnden Schaltstromversorgung angeordnet wird, empfehlen wir auf einen weiteren Kondensator dicht am Eingang des LT3042 zu verzichten oder seinen Wert zu minimieren.

Mehrere Zentimeter Induktivität der Leiterbahnen zwischen LT8614 und LT3042 dämpfen die Übertragungsspannungsspitzen des Leistungsschalters bei sehr hohen Frequenzen deutlich. Einige Spannungsspitzen pflanzen sich jedoch wegen der magnetischen Kopplung von der „heißen Schliefe“ des LT8614 immer noch an den Ausgang fort. Das Optimieren der Orientierung auf der Baugruppe reduziert die verbleibenden Spannungsspitzen. Wegen der Begrenzung der Messmittelbandbreite sind diese Spannungsspitzen mit sehr hoher Frequenz nicht in der in Bild 11a/b dargestellten Ausgangswelligkeit zu sehen.

Keine wirkungsvollen Alternativen

Als Perspektive ist der Versuch ohne den LDO mit extrem hoher PSRR LT3042 80 dB Störspannungsunterdrückung bei 500 kHz zu erreichen eine große Aufgabe. Alternativen werden den Anforderungen nicht gerecht. Ein LC-Filter würde zum Beispiel eine Spule mit fast 40 µH und einen Kondensator mit 40 µF benötigen, was zusätzlich Bauraum benötigt und Kosten verursacht. Solch ein LC-Filter kann aber auch in Resonanz geraten, wenn es nicht ausreichend bedämpft ist, was die Komplexität erhöht. Ein RC-Filter ist aufgrund nicht praktikabler Bauteilwerte ebenfalls ungeeignet. Ähnlich benötigt der Einsatz von konventionellen LDOs mindestens eine zweifache Kaskadierung, was wiederum zusätzliche Komponenten und Kosten bedeutet und die Dropout-Spannung senkt. All diese Alternativen birgen die Gefahr einer Kopplung von magnetischen Feldern in sich. Insbesondere müssen auch hochfrequente AC-Ströme minimiert werden.

Der LT3042 verdankt es seiner extrem hohen PSRR über einen weiten Frequenzbereich, dass der vorgeschaltete Schaltregler bei niedrigen Frequenzen betrieben werden kann – was den Wirkungsgrad und die EMI verbessert – ohne dabei die Ausmaße für zusätzliche Filterkomponenten zu vergrößern.

Robust, einfach und vielseitig anwendbar

Durch das überdurchschnittlich gute Rausch- und PSRR-Verhalten ist der robuste und einfach anzuwendende LT3042 für Stromversorgung von rauschempfindlichen Anwendungen prädestiniert. Durch seine Stromreferenz-basierenden Architektur, bleiben sein Rausch- und PSRR-Verhalten unabhängig von der Ausgangsspannung. Darüber hinaus können mehrere LT3042 direkt parallel geschaltet werden, um das Ausgangsrauschen weiter zu reduzieren, den Ausgangsstrom zu erhöhen und die erzeugte Wärme über die Leiterplatte zu verteilen.