SGM2231負輸出線性穩壓器：特性、應用與設計要點

在電子設備的電源管理領域，線性穩壓器扮演著至關重要的角色。今天我們要探討的SGM2231，是一款由SGMICRO推出的-24V、-500mA、低噪聲、高電源抑制比（PSRR）的負輸出線性穩壓器，它在眾多應用場景中展現出了卓越的性能。

文件下載：SGM2231.pdf

一、產品概述

SGM2231是一款低功耗、低噪聲、具有快速瞬態響應和低壓差電壓的線性穩壓器，能夠提供 -500mA 的輸出電流。其工作輸入電壓范圍為 -2.7V 至 -24V，可調輸出電壓范圍為 -1.1V 至 (-VIN + VDROP)。此外，它還具備邏輯控制關機模式、短路電流限制和熱關斷保護等功能，并且在禁用狀態下具有自動放電功能，可快速釋放輸出電壓。該產品采用綠色UTDFN - 2×2 - 8CL封裝，工作溫度范圍為 -40℃ 至 +125℃。

二、應用領域

SGM2231的高性能使其在多個領域都有廣泛的應用：

1. 工業和醫療設備：在工業自動化和醫療電子設備中，對電源的穩定性和可靠性要求極高。SGM2231的低噪聲和高PSRR特性能夠為這些設備提供干凈、準確的電源，確保設備的正常運行。
2. 通信和基礎設施：通信設備對電源的性能要求也十分嚴格，SGM2231可以為通信模塊、基站等提供穩定的電源，保證通信質量。
3. 精密放大器：精密放大器需要高精度的電源來保證其性能，SGM2231的高精度輸出電壓和低噪聲特性正好滿足這一需求。
4. ADC和DAC電路：在模擬 - 數字轉換和數字 - 模擬轉換電路中，穩定的電源是保證轉換精度的關鍵。SGM2231能夠為這些電路提供穩定的電源，提高轉換精度。

三、產品特性

1. 電壓參數

• 輸入電壓范圍：-2.7V 至 -24V，能夠適應不同的電源環境。
• 固定輸出電壓：提供 -1.1V、 -1.2V、 -1.5V、 -1.8V、 -2.5V、 -2.8V、 -3.0V、 -3.3V 和 -5.0V 等多種固定輸出電壓選項，方便用戶選擇。
• 可調輸出電壓：可在 -1.1V 至 (-VIN + VDROP) 范圍內進行調節，滿足不同的應用需求。
• 輸出電壓精度：在 +25℃ 時，輸出電壓精度為 ±1%，保證了輸出電壓的準確性。

2. 電流參數

• 輸出電流：最大可提供 -500mA 的輸出電流，能夠滿足大多數負載的需求。
• 靜態電流：在無負載時，靜態電流 (I_{GND} = -47 mu A)（典型值），降低了功耗。
• 關機電流：關機電流為 -1.2μA（典型值），進一步節省了功耗。

3. 其他特性

• 低壓差電壓：在 -500mA 輸出電流、(V_{OUT} = -5.0V) 時，壓差電壓為 -230mV（典型值），提高了電源效率。
• 低噪聲：在 (V{OUT} = -1.1V) 時，輸出噪聲為 (10 mu V{RMS})（典型值），減少了對其他電路的干擾。
• 高PSRR：在 10kHz、(V_{OUT} = -1.1V) 時，PSRR 為 -65dB（典型值），有效抑制了電源紋波。
• 保護功能：具備電流限制和熱保護功能，提高了產品的可靠性。
• 使能邏輯：支持正或負使能邏輯，方便用戶進行控制。
• 電容穩定性：使用小尺寸陶瓷電容即可保持穩定，降低了成本和電路板空間。

四、典型應用電路

SGM2231有固定輸出電壓版本和可調輸出電壓版本兩種典型應用電路。在固定輸出電壓版本中，SENSE/ADJ 引腳直接連接到負載或 OUT 引腳；在可調輸出電壓版本中，通過外部電阻分壓器連接到 SENSE/ADJ 引腳來設置輸出電壓。輸入和輸出端分別建議使用 2.2μF 的陶瓷電容，以保證電源的穩定性和濾波效果。

五、設計要點

1. 電容選擇

• 輸入電容（(C_{IN})）：輸入去耦電容應盡可能靠近 IN 引腳放置，建議選擇 2.2μF 或更大的 X7R 或 X5R 陶瓷電容，以獲得良好的動態性能。當 (V_{IN}) 需要瞬間提供大電流時，需要使用大的有效輸入電容，多個輸入電容可以減少輸入走線電感的影響。
• 輸出電容（(C_{OUT})）：輸出電容應盡可能靠近 OUT 引腳放置，同樣建議選擇 2.2μF 或更大的 X7R 或 X5R 陶瓷電容。SGM2231 能夠保持穩定的 (C{OUT}) 最小有效電容為 1.5μF。由于陶瓷電容的有效電容會受到溫度、直流偏置和封裝尺寸的影響，因此在設計時需要考慮足夠的余量。此外，較大電容和較低 ESR 的 (C{OUT}) 有助于提高高頻 PSRR 和改善負載瞬態響應。

2. 可調穩壓器設計

對于 SGM2231 - ADJ 可調輸出電壓版本，可以使用電阻分壓器來設置輸出電壓。選擇 (R{2}) 小于 110kΩ 以保持 10μA 的最小負載，輸出電壓可以通過公式 (V{OUT} = -1.1V × (1 + R{1} / R{2})) 計算。

3. 使能操作

SGM2231 的 EN 引腳用于在正常工作條件下啟用或禁用 OUT 引腳。當使用自動啟動時，將 EN 引腳連接到 IN 引腳。當 EN 相對于 GND 為 ±2.0V 時，設備處于激活狀態；當 EN 為 0V 時，設備處于關機狀態。此時，一個約 200kΩ 的放電電阻連接到 OUT 引腳，將 OUT 引腳拉高到 GND。EN 引腳具有雙極性，使能電壓可以為正或負，并且具有典型的滯后特性，可防止由于 EN 引腳噪聲在閾值點附近引起的開關振蕩。

4. 保護功能

• 反向電流保護：由于通晶體管具有固有的體二極管，當 (V{OUT} < (V{IN} - 0.3V)) 時，體二極管會正向偏置。如果預計會有長時間的反向電壓操作，可能需要使用外部限制措施。
• 輸出電流限制和短路保護：當發生過載事件時，輸出電流會內部限制到 -1.2A（典型值）；當 OUT 引腳短路到地時，短路保護會將輸出電流限制到 -410mA（典型值）。
• 熱關斷：當芯片溫度超過熱關斷閾值時，SGM2231 將進入關機狀態，直到芯片溫度降至 +140℃ 才會恢復工作。

5. 功耗計算

SGM2231 的功耗 (P{D}) 可以通過公式 (P{D} = |V{IN} - V{OUT}| × I{OUT}) 計算。最大允許功耗 (P{D(MAX)}) 受多種因素影響，包括結溫和環境溫度差 ((T{J(MAX)} - T{A}))、從結到環境的封裝熱阻 ((theta{JA}))、環境氣流速率和 PCB 布局等。(P{D(MAX)}) 可以通過公式 (P{D(MAX)} = (T{J(MAX)} - T{A}) / theta{JA}) 近似計算。

6. 布局指南

為了獲得良好的 PSRR、低輸出噪聲和高瞬態響應性能，輸入和輸出旁路電容必須分別盡可能靠近 IN 引腳和 OUT 引腳放置。

六、總結

SGM2231作為一款高性能的負輸出線性穩壓器，憑借其低噪聲、高PSRR、寬輸入電壓范圍和豐富的保護功能，在工業、通信、醫療等多個領域都有廣泛的應用前景。在設計過程中，合理選擇電容、正確設置使能操作、充分利用保護功能以及優化 PCB 布局等，能夠充分發揮 SGM2231 的性能優勢，為電子設備提供穩定、可靠的電源解決方案。各位工程師在實際應用中，不妨多嘗試這款產品，看看它能為你的設計帶來怎樣的驚喜。你在使用線性穩壓器的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享交流。