輻射加固LDO穩(wěn)壓器TPS7H1101A-SP：設(shè)計(jì)與應(yīng)用解析

一、引言

在航天等對(duì)可靠性要求極高的領(lǐng)域，電源管理芯片的性能至關(guān)重要。TPS7H1101A-SP作為一款輻射加固的低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO），以其出色的性能和豐富的功能，為空間衛(wèi)星等應(yīng)用提供了可靠的電源解決方案。本文將詳細(xì)介紹TPS7H1101A-SP的特性、應(yīng)用、詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程以及相關(guān)注意事項(xiàng)。

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二、TPS7H1101A-SP特性亮點(diǎn)

2.1 輻射加固特性

TPS7H1101A-SP經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的輻射硬度保證（RHA）測(cè)試，總電離劑量（TID）可達(dá)100 krad(Si)，且無(wú)增強(qiáng)低劑量率效應(yīng)（ELDRS）。它對(duì)單粒子閂鎖（SEL）免疫，LET閾值高達(dá) (85 MeV - cm^{2} / mg)，同時(shí)對(duì)單粒子燒毀（SEB）和單粒子?xùn)糯⊿EGR）也具有免疫能力。單粒子瞬態(tài)（SET）/單粒子功能中斷（SEFI）的起始閾值 (> 40 MeV - cm^{2} / mg)，能有效避免對(duì)關(guān)鍵下游組件的損壞。

2.2 電氣性能優(yōu)勢(shì)

• 寬輸入電壓范圍：輸入電壓范圍為1.5 V至7 V，能適應(yīng)多種電源環(huán)境。
• 大輸出電流：最大輸出電流可達(dá)3 A，還支持電流共享/并聯(lián)操作，可提供高達(dá)6 A的輸出電流。
• 高精度輸出：在不同的線路、負(fù)載和溫度條件下，輸出電壓精度可達(dá)±2%。
• 低噪聲與高PSRR：在 (V{IN} = 2 V)，(V{OUT} = 1.8 V)，3 A負(fù)載時(shí)，輸出噪聲僅為20.33 μVRMS；在1 kHz時(shí)，電源抑制比（PSRR）超過(guò)45 dB。
• 超低壓差：在1 A負(fù)載、25°C條件下，(V_{OUT} = 1.8 V)時(shí)，壓差僅為62 mV。

2.3 其他特性

• 可編程軟啟動(dòng)：通過(guò)外部電容可實(shí)現(xiàn)可編程軟啟動(dòng)，減緩輸出電壓的上升速率。
• 輸入使能與電源良好輸出：支持在全輸入電壓范圍內(nèi)進(jìn)行使能操作，同時(shí)提供電源良好（Power Good）輸出，方便進(jìn)行電源排序。
• 熱增強(qiáng)封裝：采用熱增強(qiáng)CFP封裝，熱阻 (R_{theta JC}) 僅為0.4°C/W，有利于散熱。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

TPS7H1101A-SP適用于多種航天應(yīng)用場(chǎng)景：

• 衛(wèi)星負(fù)載供電：可為現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）、微控制器、專用集成電路（ASIC）和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器等提供穩(wěn)定的電源。
• 射頻與模擬電路供電：作為輻射加固的低噪聲線性穩(wěn)壓器，為射頻（RF）、壓控振蕩器（VCO）、接收器和放大器等提供干凈的模擬電源。
• 衛(wèi)星其他系統(tǒng)供電：可用于衛(wèi)星的命令與數(shù)據(jù)處理（C&DH）、光學(xué)成像有效載荷、雷達(dá)成像有效載荷以及衛(wèi)星電力系統(tǒng)（EPS）等。

四、詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程

4.1 可調(diào)輸出電壓設(shè)計(jì)

TPS7H1101A-SP的輸出電壓可在0.8 V至6.65 V之間進(jìn)行用戶編程設(shè)置。通過(guò)在 (V{OUT})、FB和GND端子之間連接電阻分壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)，計(jì)算公式為 (V{OUT}=frac{(R{TOP}+R{BOTTOM})cdot V{FB}}{R{BOTTOM}})，其中 (V_{FB}=0.605 V)。文檔中還給出了不同輸出電壓對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)1%和0.1%電阻值示例，方便工程師進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.2 可編程電流限制（PCL）設(shè)計(jì)

PCL電阻 (R{PCL}) 用于設(shè)置過(guò)流限制激活點(diǎn)，計(jì)算公式為 (R{PCL}=(CSRtimes V{REF})/(I{CL}-0.0403))，其中 (V{REF}=0.605 V)，(I{CL}) 為可編程電流限制，電流感測(cè)比（CSR）典型值為52000，0.0403為內(nèi)部偏置產(chǎn)生的固定偏移值。同時(shí)，需選擇合適的 (R{CS}) 電阻，確保CS端子電壓在0.3 V至 (V{IN}) 之間，且 (V{CS}>0.9cdot V{REF}) 以保證折返電流限制功能正常工作。

4.3 高端電流感測(cè)設(shè)計(jì)

通過(guò)在CS端子與 (V{IN}) 之間連接電阻，可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流的感測(cè)。計(jì)算公式為 (I{CS}=frac{I{LOAD}+I{offset}}{CSR}) 和 (R{CS}=frac{V{IN}-V{CS}}{I{CS}})，其中 (I{offset}=5mu Acdot CSR)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，需根據(jù)具體的 (V{IN})、(I{LOAD}) 和CSR值來(lái)計(jì)算 (R{CS}) 的阻值。

4.4 電流折返功能設(shè)計(jì)

當(dāng)CS端子電壓大于 (0.9cdot V_{REF})（0.544 V）時(shí)，電流折返功能啟用。當(dāng)電流達(dá)到限制觸發(fā)點(diǎn)時(shí)，輸出電壓下降，輸出電流折返至電流限制觸發(fā)點(diǎn)的約50%，從而在故障條件下最小化功率損耗。

4.5 并聯(lián)操作設(shè)計(jì)

對(duì)于高負(fù)載需求的應(yīng)用，可將多個(gè)TPS7H1101A-SP進(jìn)行并聯(lián)操作。在并聯(lián)模式下，LDO1的CS端子需通過(guò)串聯(lián)電阻 (R{CL}) 連接到LDO2的PCL端子，LDO2的CS端子也需通過(guò)串聯(lián)電阻 (R{CL}) 連接到LDO1的PCL端子。典型的 (R{CL}) 值在電流限制大于6 A時(shí)為3.75 kΩ。同時(shí)，(R{CL}) 和 (R_{CS}) 電阻在并聯(lián)配置中需保持開(kāi)路。

4.6 補(bǔ)償設(shè)計(jì)

TPS7H1101A-SP采用嵌套環(huán)路設(shè)計(jì)，以提供滿足設(shè)計(jì)性能所需的高增益。輸出電容 (C{OUT}) 會(huì)引入一個(gè)極點(diǎn)和一個(gè)零點(diǎn)，可通過(guò)在底部反饋電阻上并聯(lián)一個(gè)可選電容 (C{X}) 來(lái)引入一個(gè)極點(diǎn)，以抵消 (C{OUT}) 引入的零點(diǎn)。內(nèi)部補(bǔ)償可抵消 (C{OUT}) 和負(fù)載電阻 (R{L}) 引入的輸出電容極點(diǎn)，推薦的 (C{COMP}) 值為10 nF。

4.7 輸出噪聲設(shè)計(jì)

輸出噪聲使用HP3495A進(jìn)行測(cè)量，在不同的輸入電壓和輸出電壓條件下，輸出噪聲表現(xiàn)不同。例如，在 (V{IN}=2 V)，(V{OUT}=1.8 V)，3 A負(fù)載時(shí)，10 Hz至100 kHz的RMS噪聲為20.33 μVrms。

4.8 電容選擇設(shè)計(jì)

TPS7H1101A-SP需要使用鉭電容和陶瓷電容的組合，以實(shí)現(xiàn)良好的體積與電容比。推薦使用鉭電容和0.1 μF的陶瓷電容，輸入和輸出鉭電容值在10 μF至220 μF之間，ESR范圍為10 mΩ至2 Ω。為防止振蕩，建議最小輸出電容為22 μF，ESR為1 Ω或更小，優(yōu)先選擇X7R電介質(zhì)。

五、布局指南

• 布線長(zhǎng)度：為獲得最佳性能，所有走線應(yīng)盡可能短，最長(zhǎng)不超過(guò)5 cm。
• 走線寬度：使用寬走線來(lái)連接IN、OUT和GND，以減少寄生電氣效應(yīng)。
• 電容放置：輸出電容（(C_{OUT})）應(yīng)盡可能靠近設(shè)備的OUT引腳。

六、總結(jié)

TPS7H1101A-SP以其卓越的輻射加固性能、出色的電氣特性和豐富的功能，為航天等對(duì)可靠性要求極高的應(yīng)用提供了可靠的電源解決方案。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，工程師需根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇電阻、電容等元件，優(yōu)化電路布局，以確保TPS7H1101A-SP發(fā)揮最佳性能。你在實(shí)際使用TPS7H1101A-SP的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。