輻射加固LDO穩壓器TPS7H1101A-SP：設計與應用解析

一、引言

在航天等對可靠性要求極高的領域，電源管理芯片的性能至關重要。TPS7H1101A-SP作為一款輻射加固的低壓差線性穩壓器（LDO），以其出色的性能和豐富的功能，為空間衛星等應用提供了可靠的電源解決方案。本文將詳細介紹TPS7H1101A-SP的特性、應用、詳細設計過程以及相關注意事項。

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二、TPS7H1101A-SP特性亮點

2.1 輻射加固特性

TPS7H1101A-SP經過嚴格的輻射硬度保證（RHA）測試，總電離劑量（TID）可達100 krad(Si)，且無增強低劑量率效應（ELDRS）。它對單粒子閂鎖（SEL）免疫，LET閾值高達 (85 MeV - cm^{2} / mg)，同時對單粒子燒毀（SEB）和單粒子柵穿（SEGR）也具有免疫能力。單粒子瞬態（SET）/單粒子功能中斷（SEFI）的起始閾值 (> 40 MeV - cm^{2} / mg)，能有效避免對關鍵下游組件的損壞。

2.2 電氣性能優勢

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

2.3 其他特性

• 可編程軟啟動：通過外部電容可實現可編程軟啟動，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進行使能操作，同時提供電源良好（Power Good）輸出，方便進行電源排序。
• 熱增強封裝：采用熱增強CFP封裝，熱阻 (R_{theta JC}) 僅為0.4°C/W，有利于散熱。

三、應用領域

TPS7H1101A-SP適用于多種航天應用場景：

• 衛星負載供電：可為現場可編程門陣列（FPGA）、微控制器、專用集成電路（ASIC）和數據轉換器等提供穩定的電源。
• 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。
• 衛星其他系統供電：可用于衛星的命令與數據處理（C&DH）、光學成像有效載荷、雷達成像有效載荷以及衛星電力系統（EPS）等。

四、詳細設計過程

4.1 可調輸出電壓設計

TPS7H1101A-SP的輸出電壓可在0.8 V至6.65 V之間進行用戶編程設置。通過在 (V{OUT})、FB和GND端子之間連接電阻分壓器來實現，計算公式為 (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應的標準1%和0.1%電阻值示例，方便工程師進行設計。

4.2 可編程電流限制（PCL）設計

PCL電阻 (R{PCL}) 用于設置過流限制激活點，計算公式為 (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，電流感測比（CSR）典型值為52000，0.0403為內部偏置產生的固定偏移值。同時，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 高端電流感測設計

通過在CS端子與 (V{IN}) 之間連接電阻，可實現對輸出電流的感測。計算公式為 (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)。在實際設計中，需根據具體的 (V{IN})、(I{LOAD}) 和CSR值來計算 (R{CS}) 的阻值。

4.4 電流折返功能設計

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

4.5 并聯操作設計

對于高負載需求的應用，可將多個TPS7H1101A-SP進行并聯操作。在并聯模式下，LDO1的CS端子需通過串聯電阻 (R{CL}) 連接到LDO2的PCL端子，LDO2的CS端子也需通過串聯電阻 (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時為3.75 kΩ。同時，(R{CL}) 和 (R_{CS}) 電阻在并聯配置中需保持開路。

4.6 補償設計

TPS7H1101A-SP采用嵌套環路設計，以提供滿足設計性能所需的高增益。輸出電容 (C{OUT}) 會引入一個極點和一個零點，可通過在底部反饋電阻上并聯一個可選電容 (C{X}) 來引入一個極點，以抵消 (C{OUT}) 引入的零點。內部補償可抵消 (C{OUT}) 和負載電阻 (R{L}) 引入的輸出電容極點，推薦的 (C{COMP}) 值為10 nF。

4.7 輸出噪聲設計

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

4.8 電容選擇設計

TPS7H1101A-SP需要使用鉭電容和陶瓷電容的組合，以實現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，優先選擇X7R電介質。

五、布局指南

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

六、總結

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，為航天等對可靠性要求極高的應用提供了可靠的電源解決方案。在設計過程中，工程師需根據具體的應用需求，合理選擇電阻、電容等元件，優化電路布局，以確保TPS7H1101A-SP發揮最佳性能。你在實際使用TPS7H1101A-SP的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享交流。