设计预跟踪稳压器，第 2 部分：用于负输出 LDO

1. 前言

随着电子技术的提高，以及电子产品的发展，一些系统中经常会需要负电压为其供电。例如，在LCD背光系统中，会使用负电压为其提供门极驱动和偏置电压。另外，在系统的运算放大器中，也经常会使用正负对称的偏置电压为其供电。如何产生一个稳定可靠的负电压已成为设计人员面临的关键问题。

2.负输出 LDO示例

这个由两部分组成的系列的第一部分演示了如何为正输出低压差稳压器创建跟踪预稳压器。在本期文章中，我们将使用类似的技术为负输出 LDO 创建跟踪预调节器。此示例将使用相同的 LMR33630 评估模块 (EVM)，但采用与TPS7A3301 LDO结合的反相降压-升压配置。

3.如何为负输出 LDO 创建预跟踪稳压器

负 LDO 的一个示例应用是为放大器提供负电压轨。图 1 显示了对 LMR33630 反馈网络的修改，以便为负输出 LDO 创建预跟踪稳压器。

图1：带有 LMR33630 和 TPS7A3301 的负跟踪预调节器

修改 TPS7A3301 EVM 反馈电阻器会在 LDO 上生成 -5V 输出；LDO 输出电压连接到 2N3904 N 沟道 P 沟道 N 沟道 (NPN) 晶体管的基极。LMR33630 内部参考电压相对于 GND 引脚为 1V。因此，LMR33630 的 FB 引脚上的电压将被调节为相对于器件的 GND 引脚的 1V，该引脚现在是 DC/DC 转换器的负输出。

如图 1 所示，RFBB 两端的电压也等于 1V。这反过来会在 RFBB 中产生一个参考电流，其值为 IFBB = 1 V/1 kΩ = 1 mA。

然后，该 IFBB 参考电流将被 Q1/Q2 匹配的 P 沟道 N 沟道 P 沟道 (PNP) 晶体管镜像以生成 Q3 的集电极，该集电极流经电阻器 R1（IC ≈ Q3 的 IE）。

当 IFBB ≈ IR1 ≈ 1 mA 且接近 0.6 V 时，我们可以将 DC/DC 转换器的预期输出电压计算为：

在这种情况下，DC/DC 转换器级的电压输出将比 LDO 的输出电压低约 2.1 V。

从计算中可以看出，可以使用公式 1 来近似计算 LDO 输入和输出之间的电压差：

在设计过程中，我们必须确保 DC/DC 转换器提供足够的负电压来启动 LDO。为 R1 电阻选择合适的值可以控制该电压。

在此示例中，TPS7A3301 具有 -2 V 的典型欠压锁定。当 LDO 仍处于关闭状态且施加 DC/DC 转换器的输入时，LMR33630 的输出将开始变为负，而 LDO 的输出仍为 0 V。

流入图 1 中 Q2 的初始电流约为 1 mA (1 V/1 kΩ)。在初始启动期间，也如图 2 所示，V OUT DC/DC 电压为：

如我们所见，我们必须选择合适的电阻 R1 值以产生足够的电压来启动用户在其应用中选择的 LDO。

图2：LMR33630 和 TPS7A3301 的初始启动电压

图 3 和图 4 说明了示例负跟踪预调节器电路的启动和关闭波形。

图3：DC/DC 转换器上 12V 输入的启动波形（CH1 = VIN，CH2 = VOUTLDO，CH3 = VOUTDCDC，CH4 = IOUTLDO）

图4：DC/DC 转换器上 12V 输入的放大启动波形（CH1 = VIN，CH2 = VOUTLDO，CH3 = VOUTDCDC，CH4 = IOUTLDO）

在图 3 和图 4 中，DC/DC 转换器的输出比 LDO 低 1.925 V。计算值与实验值之间存在微小差异（1.925 V vs. 2.1 V）；这是由于 PNP 对中的匹配电流。与离散类型相比，具有共同封装的 PNP 可以改善这种匹配，但两者之间的电流会存在小的差异。改进匹配的一种方法是制作威尔逊电流镜以生成参考电流.

图 5 至图 8 是图 2 所示电路关断性能的一些范围捕获。图 9 显示了修改后的 LMR33630EVM 和 TPS7A3301EVM PCB 板，以实现跟踪功能。

图 5：DC/DC 转换器上 12V 输入的关断波形（CH1 = VIN，CH2 = VOUTLDO，CH3 = VOUTDCDC，CH4 = IOUTLDO）

图 6：DC/DC 转换器上 12V 输入的放大关断波形（CH1 = VIN，CH2 = VOUTLDO，CH3 = VOUTDCDC，CH4 = IOUTLDO）

图 7：具有 200mA 阶跃负载的 LDO 输出端的负载瞬态波形（CH1 = VIN，CH2 = VOUTLDO [交流耦合]，CH3 = VOUTDCDC [交流耦合]，CH4 = IOUTLDO）

图 8：具有 500mA 阶跃负载的 LDO 输出端的负载瞬态波形（CH1 = VIN，CH2 = VOUTLDO [交流耦合]，CH3 = VOUTDCDC [交流耦合]，CH4 = IOUTLDO）

图 9：负跟踪预调节器的电路板图片

当我们设计需要 LDO 作为负载点电源的产品时，与正跟踪预调节器一起使用时，我们会发现这两个电路都可以提高我们的系统效率。