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如何為衛(wèi)星應(yīng)用選擇合適的LDO

發(fā)布時間:2022-03-10 來源:TI 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】耐輻射低壓降穩(wěn)壓器 (LDO) 是許多航天級子系統(tǒng)(包括現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和模擬電路)的重要電源元件。LDO 有助于確保為性能取決于干凈輸入的元件提供穩(wěn)定的低噪聲和低紋波電源。


但是,市場中有如此多的LDO,如何為子系統(tǒng)選擇合適的耐輻射器件呢?讓我們看看一些設(shè)計(jì)規(guī)格和器件特性,以幫助您做出這個決定。


航天級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(diào)節(jié)輸出電壓。壓降規(guī)格越小,能夠?qū)崿F(xiàn)的工作電壓差就越小,從而使功率耗散和熱耗散更少,并從本質(zhì)上提高最大效率。這些優(yōu)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(qiáng)大性能的真正低壓降穩(wěn)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于超低水平。如果您有標(biāo)準(zhǔn)的 5V、3.3V、2.5V 或 1.8V 電源軌可用,該LDO 可以將輸出電壓調(diào)低至 0.8V 以提供任何所需的電壓,以及一個或多個航天級模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 或時鐘所需的電流。


航天級LDO的噪聲性能


隨著衛(wèi)星在太空中運(yùn)行10年或更長時間,使機(jī)載集成電路充分發(fā)揮性能有助于確保設(shè)計(jì)壽命。為了向高性能時鐘、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號處理器或模擬元件提供干凈、低噪聲的電源軌,LDO 電路需產(chǎn)生超小的內(nèi)部噪聲。由于不容易濾除內(nèi)部產(chǎn)生的 1/f 噪聲,因此應(yīng)采用具有固有低噪聲特性的 LDO。低頻噪聲通常是最大的,也是最難濾除的。TPS7H1101A-SP 提供超低的 1/f 噪聲水平,在 10Hz 頻率下的峰值約為 1μV/√Hz。有關(guān) RMS 噪聲隨頻率變化的情況,請參閱下面的圖 1。


11.png

圖 1:TPS7H1101A-SP 噪聲


航天級 LDO 的 PSRR


電源抑制比 (PSRR) 用于衡量 LDO 清除或抑制由上游其他元件傳入噪聲的能力。對于高端 ADC,為了更大限度地減少位錯誤,輸入電源噪聲要求不斷提高。鑒于控制環(huán)路的特性,在較高的頻率下,很難獲得高PSRR。通常,設(shè)計(jì)人員需要使用外部元件來濾除噪聲,從而達(dá)到可接受的有效 PSRR,但會增加解決方案尺寸 – 這對于航天應(yīng)用而言是一個明顯的問題,因?yàn)槌叽绾椭亓繒苯佑绊懶l(wèi)星發(fā)射成本。在上游電源的開關(guān)頻率下,需要特別注意 PSRR(因?yàn)樵谠擃l率下存在電壓紋波)。此外,由于開關(guān)諧波的影響,在該頻率下也要妥善考慮 PSRR。如果您期望實(shí)現(xiàn)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 和噪聲之外,讓我們看看實(shí)現(xiàn)耐輻射 LDO 性能不可或缺的幾項(xiàng)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(yùn)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(guān)閉,事實(shí)證明,該特性對于節(jié)省整體功率預(yù)算而言至關(guān)重要。使能引腳對于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(dǎo)致電流過沖或過大的峰值浪涌電流,從而損壞 FPGA 或 ADC 等下游器件。軟啟動特性可調(diào)節(jié)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(chǎn)生過電流,從而防止出現(xiàn)不可接受的電壓下降。


輸出電壓精度。通常,Xilinx KU060 等較新的航天級 FPGA 對每個電源軌都有嚴(yán)格的輸入電壓容差要求,以實(shí)現(xiàn)最佳性能。為確保您的設(shè)計(jì)在輻射暴露和壽命終止條件下滿足嚴(yán)格的精度要求,請采用 TPS7H1101A-SP 等器件,該器件位于 KU060 開發(fā)板上。


尺寸。除了采用易于布局的小型封裝之外,減小解決方案尺寸的其他方法包括限制 LDO 的外部元件數(shù)量,實(shí)現(xiàn)更多集成功能、更好的 PSRR 和噪聲規(guī)格,以及在單粒子效應(yīng)下實(shí)現(xiàn)更可靠的耐輻射性能。TI 的 TPS7A4501-SP 在封裝尺寸、布局和解決方案尺寸方面都是一款業(yè)界超小的耐輻射 LDO。


結(jié)語


面對如此多的器件,選擇一款合適的 LDO 可能很困難,應(yīng)從哪些功能和特性最重要的角度考慮。例如,如果您的應(yīng)用要為高端 FPGA 或高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器供電,則輸出電壓精度、基準(zhǔn)精度、PSRR 和噪聲等特性可能是需要優(yōu)先考慮的因素。不過,如果您要設(shè)計(jì)低性能模擬電路或使用容差要求不那么嚴(yán)格的舊 FPGA,那么在保持適當(dāng)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。



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