辐射加固LDO稳压器TPS7H1101A-SP：设计与应用解析

一、引言

在航天等对可靠性要求极高的领域，电源管理芯片的性能至关重要。TPS7H1101A-SP作为一款辐射加固的低压差线性稳压器（LDO），以其出色的性能和丰富的功能，为空间卫星等应用提供了可靠的电源解决方案。本文将详细介绍TPS7H1101A-SP的特性、应用、详细设计过程以及相关注意事项。

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二、TPS7H1101A-SP特性亮点

2.1 辐射加固特性

TPS7H1101A-SP经过严格的辐射硬度保证（RHA）测试，总电离剂量（TID）可达100 krad(Si)，且无增强低剂量率效应（ELDRS）。它对单粒子闩锁（SEL）免疫，LET阈值高达 (85 MeV - cm^{2} / mg)，同时对单粒子烧毁（SEB）和单粒子栅穿（SEGR）也具有免疫能力。单粒子瞬态（SET）/单粒子功能中断（SEFI）的起始阈值 (> 40 MeV - cm^{2} / mg)，能有效避免对关键下游组件的损坏。

2.2 电气性能优势

• 宽输入电压范围：输入电压范围为1.5 V至7 V，能适应多种电源环境。
• 大输出电流：最大输出电流可达3 A，还支持电流共享/并联操作，可提供高达6 A的输出电流。
• 高精度输出：在不同的线路、负载和温度条件下，输出电压精度可达±2%。
• 低噪声与高PSRR：在 (V{IN} = 2 V)，(V{OUT} = 1.8 V)，3 A负载时，输出噪声仅为20.33 µVRMS；在1 kHz时，电源抑制比（PSRR）超过45 dB。
• 超低压差：在1 A负载、25°C条件下，(V_{OUT} = 1.8 V)时，压差仅为62 mV。

2.3 其他特性

• 可编程软启动：通过外部电容可实现可编程软启动，减缓输出电压的上升速率。
• 输入使能与电源良好输出：支持在全输入电压范围内进行使能操作，同时提供电源良好（Power Good）输出，方便进行电源排序。
• 热增强封装：采用热增强CFP封装，热阻 (R_{theta JC}) 仅为0.4°C/W，有利于散热。

三、应用领域

TPS7H1101A-SP适用于多种航天应用场景：

• 卫星负载供电：可为现场可编程门阵列（FPGA）、微控制器、专用集成电路（ASIC）和数据转换器等提供稳定的电源。
• 射频与模拟电路供电：作为辐射加固的低噪声线性稳压器，为射频（RF）、压控振荡器（VCO）、接收器和放大器等提供干净的模拟电源。
• 卫星其他系统供电：可用于卫星的命令与数据处理（C&DH）、光学成像有效载荷、雷达成像有效载荷以及卫星电力系统（EPS）等。

四、详细设计过程

4.1 可调输出电压设计

TPS7H1101A-SP的输出电压可在0.8 V至6.65 V之间进行用户编程设置。通过在 (V{OUT})、FB和GND端子之间连接电阻分压器来实现，计算公式为 (V{OUT}=frac{(R{TOP}+R{BOTTOM})cdot V{FB}}{R{BOTTOM}})，其中 (V_{FB}=0.605 V)。文档中还给出了不同输出电压对应的标准1%和0.1%电阻值示例，方便工程师进行设计。

4.2 可编程电流限制（PCL）设计

PCL电阻 (R{PCL}) 用于设置过流限制激活点，计算公式为 (R{PCL}=(CSRtimes V{REF})/(I{CL}-0.0403))，其中 (V{REF}=0.605 V)，(I{CL}) 为可编程电流限制，电流感测比（CSR）典型值为52000，0.0403为内部偏置产生的固定偏移值。同时，需选择合适的 (R{CS}) 电阻，确保CS端子电压在0.3 V至 (V{IN}) 之间，且 (V{CS}>0.9cdot V{REF}) 以保证折返电流限制功能正常工作。

4.3 高端电流感测设计

通过在CS端子与 (V{IN}) 之间连接电阻，可实现对输出电流的感测。计算公式为 (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)。在实际设计中，需根据具体的 (V{IN})、(I{LOAD}) 和CSR值来计算 (R{CS}) 的阻值。

4.4 电流折返功能设计

当CS端子电压大于 (0.9cdot V_{REF})（0.544 V）时，电流折返功能启用。当电流达到限制触发点时，输出电压下降，输出电流折返至电流限制触发点的约50%，从而在故障条件下最小化功率损耗。

4.5 并联操作设计

对于高负载需求的应用，可将多个TPS7H1101A-SP进行并联操作。在并联模式下，LDO1的CS端子需通过串联电阻 (R{CL}) 连接到LDO2的PCL端子，LDO2的CS端子也需通过串联电阻 (R{CL}) 连接到LDO1的PCL端子。典型的 (R{CL}) 值在电流限制大于6 A时为3.75 kΩ。同时，(R{CL}) 和 (R_{CS}) 电阻在并联配置中需保持开路。

4.6 补偿设计

TPS7H1101A-SP采用嵌套环路设计，以提供满足设计性能所需的高增益。输出电容 (C{OUT}) 会引入一个极点和一个零点，可通过在底部反馈电阻上并联一个可选电容 (C{X}) 来引入一个极点，以抵消 (C{OUT}) 引入的零点。内部补偿可抵消 (C{OUT}) 和负载电阻 (R{L}) 引入的输出电容极点，推荐的 (C{COMP}) 值为10 nF。

4.7 输出噪声设计

输出噪声使用HP3495A进行测量，在不同的输入电压和输出电压条件下，输出噪声表现不同。例如，在 (V{IN}=2 V)，(V{OUT}=1.8 V)，3 A负载时，10 Hz至100 kHz的RMS噪声为20.33 µVrms。

4.8 电容选择设计

TPS7H1101A-SP需要使用钽电容和陶瓷电容的组合，以实现良好的体积与电容比。推荐使用钽电容和0.1 µF的陶瓷电容，输入和输出钽电容值在10 µF至220 µF之间，ESR范围为10 mΩ至2 Ω。为防止振荡，建议最小输出电容为22 µF，ESR为1 Ω或更小，优先选择X7R电介质。

五、布局指南

• 布线长度：为获得最佳性能，所有走线应尽可能短，最长不超过5 cm。
• 走线宽度：使用宽走线来连接IN、OUT和GND，以减少寄生电气效应。
• 电容放置：输出电容（(C_{OUT})）应尽可能靠近设备的OUT引脚。

六、总结

TPS7H1101A-SP以其卓越的辐射加固性能、出色的电气特性和丰富的功能，为航天等对可靠性要求极高的应用提供了可靠的电源解决方案。在设计过程中，工程师需根据具体的应用需求，合理选择电阻、电容等元件，优化电路布局，以确保TPS7H1101A-SP发挥最佳性能。你在实际使用TPS7H1101A-SP的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。