【導(dǎo)讀】本文將演示如何為設(shè)計(jì)選擇正確的電源容差。具體來說，本文將使用LTpowerCAD電阻分壓器工具箱來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薎C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，輸出電壓可以通過一對(duì)外部電阻RTOP和RBOT來設(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。
表1.針對(duì)常見電壓輸出電平的LT3062 R1和R2組合
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?。這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?，其中包括直流誤差和交流紋波。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。
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