Jose SanBuenaventura 和 Henry Zhang

本文將演示如何為設(shè)計(jì)選擇正確的電源容差。具體來(lái)說(shuō)，本文將使用LTpowerCAD電阻分壓器工具箱來(lái)展示如何使用元件容差并估算輸出電壓中的相應(yīng)誤差。有了這些信息，設(shè)計(jì)人員就能正確決定其應(yīng)用允許的容差。

簡(jiǎn)介

幾乎任何電路中都能找到電源。從無(wú)線電收發(fā)器到微處理器、FPGA和放大器，電源模塊必定存在于其中某個(gè)位置，它是任何模擬或數(shù)字電路的重要組成部分。

同任何其他元器件一樣，電源也有很多形狀和形式。不同架構(gòu)（例如線性穩(wěn)壓器或開(kāi)關(guān)模式穩(wěn)壓器）各有優(yōu)缺點(diǎn)，這導(dǎo)致在某些應(yīng)用中，一種架構(gòu)優(yōu)于另一種架構(gòu)。在所有這些架構(gòu)中，一個(gè)共同點(diǎn)是輸出通常由外部元件（尤其是反饋電阻）的組合決定。

在仿真工具的幫助下，我們可以設(shè)計(jì)電源以滿足必要的規(guī)格，并得出滿足規(guī)格的元件值。盡管仿真結(jié)果顯示較為理想，但實(shí)際情況存在局限性。一個(gè)常見(jiàn)的例子是元件容差。實(shí)際上，電阻或電容等元件的額定值有所不同，容差就是用來(lái)描述這種差異的。輸出5 V信號(hào)的57 kΩ和23 kΩ電阻的仿真電阻組合，會(huì)與實(shí)際的57 kΩ和23 kΩ組合不同，因?yàn)樵嬖诓町悺３?a target="_blank">IC固有的誤差外，該容差也會(huì)影響直流輸出電壓的精度。

穩(wěn)壓器輸出計(jì)算

ADI公司的許多穩(wěn)壓器IC有一個(gè)輸出反饋引腳（FB或ADJ引腳）。因此，輸出電壓可以通過(guò)一對(duì)外部電阻RTOP和RBOT來(lái)設(shè)置，其中RTOP連接到VOUT和FB引腳，RBOT連接FB引腳和IC信號(hào)接地引腳。通常，標(biāo)準(zhǔn)IC數(shù)據(jù)手冊(cè)會(huì)給出如下公式：

其中VREF為IC內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，用作反饋誤差放大器的內(nèi)部輸入。我們以 LT3062線性穩(wěn)壓器 的輸出電壓公式為例。圖1顯示了其計(jì)算的輸出電壓。

圖1.LT3062的輸出電壓

利用內(nèi)部生成并假定為準(zhǔn)確的基準(zhǔn)電壓（LT3062的VREF = 0.6 V），輸出分壓器反饋網(wǎng)絡(luò)（R1和R2）決定IC調(diào)節(jié)的電壓電平。在LT3062公式中，還有一個(gè)來(lái)自IADJ的附加項(xiàng)，即從ADJ引腳流出的非理想偏置電流。其典型值為15 nA，但最高可達(dá)60 nA，如電氣特性(EC)表所示，它會(huì)導(dǎo)致額外的VOUT調(diào)節(jié)誤差。

如果使用1%容差的R1和R2，那么由電阻分壓器引起的總Vo誤差是多少——1%還是2%？對(duì)于某個(gè)應(yīng)用，是否應(yīng)該使用0.5%或0.1%容差的電阻？輸出電壓可能需要一定的精度，選擇合適的電阻至關(guān)重要。如果使用較高容差的電阻可以達(dá)到目標(biāo)誤差，您可能不想使用容差非常低的電阻（它可能相當(dāng)昂貴）。

LTpowerCAD電阻分壓器工具

為了幫助設(shè)計(jì)，我們可以使用 LTpowerCAD?電阻分壓器工具。LTpowerCAD是一款完整的電源設(shè)計(jì)程序，具備一個(gè)設(shè)計(jì)工具箱，其中包括電阻分壓器設(shè)計(jì)工具。電阻分壓器工具接受諸如所需輸出電壓電平VOUT和穩(wěn)壓器基準(zhǔn)電壓VREF（ADJ引腳或FB引腳電壓）之類的輸入，然后根據(jù)所選容差推薦能夠?qū)崿F(xiàn)所需電壓的市售標(biāo)準(zhǔn)電阻值。使用此工具估算兩個(gè)誤差：1) 由標(biāo)準(zhǔn)分立標(biāo)準(zhǔn)電阻值引起的誤差。注意：對(duì)于給定VOUT和VREF，該工具會(huì)自動(dòng)選擇最佳匹配的標(biāo)準(zhǔn)電阻值對(duì)以使此誤差最小，因而實(shí)際VOUT最接近目標(biāo)值。2) 對(duì)于給定的VOUT和VREF組合，由電阻容差引起的誤差。事實(shí)上，使用一對(duì)精度為1%的電阻分壓器時(shí)，分壓器有效容差將是分壓比的函數(shù)，范圍在1%到2%之間。LTpowerCAD電阻分壓器工具將這兩個(gè)誤差相加以獲得電阻分壓器總?cè)莶睢＿@讓工程師可以輕松查看總誤差，從而確定滿足最終目標(biāo)需要何種水平的電阻容差（0.1%、0.5%、1%還是2%）。

圖2.打開(kāi)LTpowerCAD工具箱中的電阻分壓器工具

圖3.LTpowerCAD電阻分壓器工具：電阻對(duì)推薦

該工具還能在給定頂部或底部電阻（用戶輸入）時(shí)求取另一電阻值，同時(shí)考慮目標(biāo)或允許的元件容差。

除了給出推薦電阻值之外，該工具還會(huì)顯示與元件容差相關(guān)的誤差計(jì)算（相對(duì)于理想和實(shí)際VOUT）。

有了這些參數(shù)，在給定元件容差的情況下，設(shè)計(jì)人員便可大致了解預(yù)期電壓范圍，并評(píng)估它是否適合目標(biāo)應(yīng)用。

最后，該工具還能為任何給定值找出標(biāo)準(zhǔn)值電阻，以幫助簡(jiǎn)化元件搜索。

其他誤差和注意事項(xiàng)

需要指出的是，此電阻分壓器工具僅估計(jì)電阻分壓器導(dǎo)致的直流誤差。它不包括其他直流誤差，而要獲得總電源VOUT調(diào)節(jié)精度，應(yīng)將這些誤差加到電阻分壓器誤差上。這些額外的誤差包括：1) IC內(nèi)部基準(zhǔn)電壓VREF誤差，其典型值在0.5%到1.5%范圍內(nèi)，可以在IC數(shù)據(jù)手冊(cè)EC表中找到；2) 電源電壓和負(fù)載調(diào)整率誤差，這些也可以在IC EC表中找到；3) ADJ或FB引腳漏電流誤差，例如在LT3062示例中，RBOT值應(yīng)比較低以減少該誤差；4) 本地IC和遠(yuǎn)程負(fù)載器件之間的PCB電阻引起的其他誤差等。設(shè)計(jì)電源時(shí)，總誤差估計(jì)應(yīng)考慮到所有這些誤差。

此外，高精度電子系統(tǒng)還可能對(duì)總電源輸出電壓容差有嚴(yán)格要求，包括直流誤差和交流紋波。例如，許多大電流ASIC和FPGA要求±2%或±3%的總?cè)莶畲翱冢渲邪ㄖ绷髡`差和交流紋波。為滿足這一嚴(yán)格要求，電源設(shè)計(jì)必須提供快速瞬態(tài)響應(yīng)，并具有大輸出電容，以使快速負(fù)載階躍瞬態(tài)期間的VOUT紋波最小化。在這種情況下，選擇具有極小VREF容差的IC至關(guān)重要。高電流軌需要具有遠(yuǎn)程電壓檢測(cè)能力的穩(wěn)壓器。此外，相比于使用0.5%甚至0.1%電阻造成的成本小幅上升，輸出電容節(jié)省的空間和成本要大得多。使用集成模塊也很有幫助，例如 ADI LTM 系列μModule?穩(wěn)壓器，它指定了完整高性能電源解決方案的總直流調(diào)節(jié)容差（包括VREF、電壓和負(fù)載調(diào)整率誤差）。

圖4.LTpowerCAD電阻分壓器工具：RTOP或RBOTTOM求解器

圖5.LTpowerCAD電阻分壓器工具：電壓誤差計(jì)算

圖6.LTpowerCAD電阻分壓器工具：標(biāo)準(zhǔn)電阻查找器

結(jié)論

各種目標(biāo)應(yīng)用都需要一定水平的電源VOUT容差。幾毫伏的誤差可能是不同系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵方面，因此必須滿足適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)要求。

影響穩(wěn)壓器精度的一個(gè)外部可控因素是元件容差。使用容差為0.5%的電阻與使用容差為2%的電阻之間的差異，可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生重大影響，而選擇正確的元件可以減少出錯(cuò)的可能性。選擇合適的元件還有助于最大限度地降低成本并提高可靠性，因?yàn)檫@樣就不需要更換元件，或者更換次數(shù)大大減少。

利用LTpowerCAD電阻分壓器工具，工程師可以觀察元件容差對(duì)其電源設(shè)計(jì)的影響。通過(guò)初步選擇目標(biāo)輸出電壓和基準(zhǔn)引腳電壓，設(shè)計(jì)人員可以：(1) 為目標(biāo)電壓獲得最佳匹配的標(biāo)準(zhǔn)電阻對(duì)，(2) 求解頂部或底部電阻，以及 (3) 實(shí)現(xiàn)所需范圍的電壓誤差（由電阻分壓器容差引起）。

憑借其提供的功能，加上標(biāo)準(zhǔn)電阻查找器，該電阻分壓器工具已被證明對(duì)電源設(shè)計(jì)大有幫助，尤其是可以幫助初涉電源設(shè)計(jì)的工程師熟悉這一領(lǐng)域。工程師使用此工具可以設(shè)計(jì)出符合目標(biāo)應(yīng)用所需規(guī)格的電源，并確保向不同系統(tǒng)模塊提供優(yōu)化的性能和功率。

審核編輯：郭婷