隨著衛星和太空探索的發展，業界持續提高內建運算能力以進行即時處理。因此，對於負載點電源系統的需求也在不斷演進，需要更高水準的功率、性能和更高的效率，同時也面臨更小的電路板空間和高可靠性需求的挑戰。
輻射強化低壓降穩壓器（LDO）仍然是許多航太級子系統的重要電源元件，包括現場可程式化設計邏輯閘陣列（FPGA）、資料轉換器和類比電路。對於性能取決於乾淨輸入的元件，LDO 有助於確保為其提供穩定、低雜訊和低漣波的電源供應。
但市面上有如此多的 LDO，您如何為您的子系統選擇合適的輻射強化裝置？
大幅減少雜訊
為了為高效能時脈、資料轉換器、數位訊號處理器或類比元件提供乾淨、低雜訊的電源軌，必須將 LDO 電路產生的內部雜訊最小化。由於不容易濾除內部產生的 1/f 雜訊，因此應尋找固有低雜訊特性的 LDO。低頻雜訊通常是最大且最難濾除的雜訊。TPS7H1111-SP 提供最低 1/f 雜訊位準之一，在 10 Hz 時峰值約為 100 nV/√Hz。圖 1 顯示雜訊頻譜密度隨頻率的變化。
圖 1：TI 航太級 LDO 雜訊比較
PSRR
電源供應拒斥比（PSRR）衡量 LDO 清除或抑制來自其他上游元件（例如開關電源）的傳入雜訊能力。對於高階類比數位轉換器（ADC）而言，輸入電源雜訊要求越來越嚴格，以盡量減少位元錯誤。在較高頻率下很難獲得高 PSRR，因為它需要來自控制環路的快速響應。通常，設計人員需要使用外部元件來過濾雜訊以達到有效的 PSRR，這會增加解決方案的尺寸。對於航太應用來說，這是再明顯不過的問題，因為尺寸和重量都與衛星發射成本直接相關。
此外，由於切換諧波，PSRR 高於此頻率非常重要。如果您正在尋找良好的 PSRR，TPS7H1111-SP LDO 提供顯著的性能優勢，尤其是在較高頻率範圍內，在 1 MHz 時 PSRR 為 70 dB（請參閱圖 2）。
圖 2：TI 輻射強化 LDO PSRR 比較
與其他輻射強化 LDO 相比，TPS7H1111-SP 在較低頻率下提供類似或更好的 PSRR 性能，並在較高頻率下提供顯著改進。隨著設計人員不斷提高上游切換穩壓器的切換頻率，這一點尤其重要（請參閱圖 3）。
圖 3：業界標準的輻射強化 LDO PSRR 性能
TPS7H1111-SP 改進的 PSRR 性能無需離散式濾波器，有助於縮小整體解決方案的尺寸和重量。
圖 4 顯示一個範例配置，其中包含 TPS7H1101A-SP 以及實現可接受的 PSRR 等級所需的其他離散式元件。TPS7H1111-SP 的性能提升可提供更好的 PSRR，並將解決方案尺寸縮小約 40%。
圖 4：使用 TPS7H1111-SP 縮小濾波器尺寸
其他重要的 LDO 特色
除了 PSRR 和雜訊之外，還有其他影響衛星性能和效率的設計考量。
電力在太空中是一種有限的資源，因為太陽能面板只能提供定量的電力。啟用功能可讓您指定 LDO 在任何給定時間是否應開啟或關閉，有助於整體節省功率預算。觸發針腳對於開機順序也很重要，這在新一代 FPGA 中越發重要。
在接近最小壓降電壓的情況下運作可以進一步提高電源效率。LDO 的壓降電壓是輸入和輸出電壓之間的電壓差，此時 LDO 停止調節輸出電壓。壓降電壓規格越小，操作電壓差越低，進而降低功耗和散熱功能，並從本質上提高最大效率。TPS7A4501-SP、TPS7H1101A-SP 和 TPS7H1111-SP 皆支援相當小的壓降電壓。然而，為了不限制 PSRR 性能，考慮負載條件、輸出電容和空餘空間至關重要。
電力並不是唯一的設計挑戰。較新的航太級 FPGA（例如 Xilinx KU060 或 Versal XQR VC1902）對每個電源軌都有嚴格的輸入電壓容差要求，以便將其性能最佳化。為了滿足嚴格的準確度要求，您必須考慮輻射暴露和壽命終止條件下的準確度。TPS7H1111-SP 在線路、負載、溫度和輻射方面具有 ±1.5% 的準確度。
提供可靠的電源軌（尤其是在啟動時）將有助於防止下游元件損壞。軟啟動功能可防止電壓上升過快，否則可能導致電流過衝或峰值突入電流過大。軟啟動還可以防止上游電源上的過電流消耗，進而防止不可接受的電壓下降程度。
雖然 TPS7H1111-SP 透過消除對離散式濾波器的需求來協助提高功率密度，但還有其他方法可以減小解決方案尺寸，包括限制 LDO 的外部元件數量及其實際佔位面積。TI 的 TPS7A4501-SP 是業界封裝尺寸、配置和解決方案尺寸最小的輻射強化 LDO 之一。另外，我們用於低地球軌道任務的太空強化塑膠（-SEP）新版本更可將佔位面積尺寸減少 30% 至 50%，有助於提高功率密度。TPS73801-SEP 和 TPS7H1111-SEP 是這些塑膠耐輻射解決方案如何不斷改進尺寸、重量和功率的最新範例。
結論
在太空中為對雜訊極為敏感的軌道供電是一項動態挑戰，需要在效率、可靠性、性能、尺寸和重量之間進行取捨。並非所有應用都需要高性能 LDO。如果您正在設計低性能類比電路或使用容差要求不那麼嚴格的舊版 FPGA，您還是可以擁有小尺寸、低成本的解決方案，同時保留可接受的功能等級。
其他資源
- 閱讀 TI E2E
設計支援論壇常見問題集「負載條件、輸出電容和空餘空間如何影響我的航太級 LDO 電源供應拒斥比 (PSRR) 性能？」 - 下載 TI 航太產品指南和電子產品的輻射手冊。
