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[参考译文] TINA/Spice/TPS7A85A:使用以 TIDA-01232为基准的镇流电阻器或使用以 TIDU-421为基准的感应电阻器控制环路的电流共享并行 LDO?

Guru**** 608265 points
Other Parts Discussed in Thread: TINA-TI, TPS7A85A, TIDA-01232, TPS74401
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https://e2e.ti.com/support/tools/simulation-hardware-system-design-tools-group/sim-hw-system-design/f/simulation-hardware-system-design-tools-forum/739453/tina-spice-tps7a85a-current-sharing-parallel-ldo-using-ballast-resistor-referencing-tida-01232-or-using-control-loop-with-sense-resistors-referencing-tidu-421

器件型号:TPS7A85A
主题中讨论的其他器件:TINA-TITIDA-01232TPS74401

工具/软件:TINA-TI 或 Spice 模型

您好!

我需要一个能够提供 Vin = 3.3V、Vout = 1.0V 且能够提供高达8A 电流的 LDO 稳压器、在搜索时、我发现 TPS7A85A 是最佳选择。 为了实现如此高的电流输出、这意味着我需要并联3个 TPS7A85A LDO。 在研究并联的电流共享和 LDO 后、TI 提到、对于高电流和低噪声、 应使用 TIDA-01232 (镇流电阻器)、对于高精度、应使用 TIDU142 (控制环路和感应电阻器)。 我倾向于使用 TIDA-01232设计、因为它已经过六个并联 LDO 的全面测试、专门使用 TPS7A85A;而 TIDU421设计仅使用两个 LDO 进行了测试、并使用了不同的 LDO 器件。

1) 1)如果要求高精度、建议使用 TIDU421设计、数量为三个 TPS7A85A、还是仅适用于两个 LDO? 如果三项是可以接受的,如何实施? 是否需要双电源控制环路运算放大器?

2) 2)我已经在 Tina 中使用3个并联 LDO 对 TIDA-01232设计进行了仿真、 并想澄清 RBallast 和 Evout (请参阅下面的计算):

在该参考设计中、有一个给定的 Evout 公式、其中我计算出的假设 Voutnom = 1V 且 ERfb = 1%(不确定该值、因为未给出该值或是否需要该值?)

但是、在文档中、它还提到使用 Evout = 0.75mV。

我不确定应该使用下面提到的 Evout I 计算值还是0.75mV。

接下来、我使用下面给出的公式计算 RBallast。 但是、我不确定此公式是否专门用于2个并联 LDO、或者是否可用于多个 LDO。 如果它的值为多、那么 "2"与 IoutMaxSingle 的乘积不应为"n"、那么并行 LDO 的数量是多少?  如果它只是"2"、那么我将得到一个负的 R镇 流器结果。

注意:我在计算 Rv镇 时使用了0.75mV 的 Evout、因为我不确定是否应该使用计算得出的14mV。

仿真:查看瞬态结果、原理图似乎设计正确。 我实现了993.63mV 的输出电压。 但是、想知道是否有更多方法可以提高原理图的精度。 此外、 流过镇流器电阻器的电流是否应该这么小? (对于三个镇流电阻器、通过 DMM 探测它、电流= 5nA)

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    您好!Dylan、

    对于 TIDU142方法、我建议仅并联使用2个 LDO。 具有3个或更多 LDO 的控制环路之间的交互可能过多。

    TIDA-01232方法使用镇流电阻器来解决输出电压不匹配的问题、并且不需要 LDO 控制环路之间的交互。 镇流电阻器方法更简单、并已使用多达8个并联 LDO 进行测试。

    当使用 ANA-OUT 设置 LDO 输出电压时、Erfb = 0%。 ANY 输出电阻器匹配非常好、电气特性表中的输出电压精度包括+/- 1%中的 ANY 输出电阻器。

    Evout = 10mV。

    请勿使用 Evout = 0.75mV。 该数字是根据并联使用的 TPS7A85A 的一个小样本中的测试数据估算得出的、但如果构建多个设计、则不是一个好选择。 在 TPS7A85A 的较大样本中、Vout 误差可能大于0.75mV。

    流经3个镇流电阻器的总电流应等于负载电流。

    我将通过这些公式来查看3个并联 LDO 的任何项是否发生变化。 我会再来的。
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    您好!Dylan、

    是的、您可以将 n =并联 LDO 的数量替换为 TIDA-01232中公式4和5中的数字2。

    使用随附的电子表格、我计算出0.008 Ω 镇流器电阻。

    如果您要纠正镇流器电阻器上的压降以获得更好的最终输出精度、可以向上移动每个并联 LDO 的输出电压设定值。 例如、将输出设定点更改为1.02V。由于最小阶跃为50mV、因此 ANE-OUT 引脚无法实现此操作。

    有一个博客介绍了如何使用 ANT-OUT 实现更小的输出电压步长、如下所示:

    e2e.ti.com/.../increasing-resolution-for-any-out-programmable-output-voltage-devices

    e2e.ti.com/.../TIDA_2D00_01232-Parallel-LDO-calculations-TPS7A85A.xlsx

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    感谢 Eric、他提供了很多信息。

    我有一个关于配重方程的问题。 对于 IoutMaxTotal、这应该是 LDO 数量的总电流吗? 例如、在参考文档中、它表示 Ioutmax 为3.5A、乘以 LDO 数量(请参阅下图)、对于 IoutMaxTotal 为10.5A。 然后、计算 RBallast 为20mohms。 在仿真中、我随后接收到968mV 的输出电压、 这不是很好的输出。  

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    您好!Dylan、

    IoutMaxTotal 是应用的总电流负载、8A

    每个 TPS7A85A 的额定电流为4A
    应用手册中的3.5A 编号不正确。
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    Eric、

    感谢您的澄清。
    此外、在查看 TIDA-1232的 BOM 时、我注意到未列出镇流电阻器。 哪些 PN 以及可以在哪里购买这些电阻器?
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    您好!Dylan、

    尝试查看表面贴装电阻器下方的 DigiKey。 按电阻进行筛选、以查找低值电阻器。 例如:7至10毫欧。 这将为您提供可用电阻器值、容差、封装尺寸和制造商的列表。
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    Eric、

    我注意到、在您的电子表格中、您执行了 Vout(min)%=(Vout(min)- Vout(nom))/Vout(nom)。
    它不应该是 Vout(min)=(Vout(nom)- Vout(min))/Vout (min),因为 VR%=(Vnoload - Vfullload)/Vfullload?

    此外、我尝试通过您提供的链接来提高弹出 Vout 的分辨率、但实际上、它使我的 Vout 在我的 Tina SIM 中变得更糟。
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    您好!Dylan、

    对于 Vout (min)%电池、我将最小电压计算为 Vout (nom)的%。 Vout (min)%=(Vout (min)- Vout (nom))/Vout (nom)。

    VOUT (空载)%采用与 Vout (nom)%计算空载电压相同的公式:
    Vout (空载)%=(Vout (空载)- Vout (nom))/Vout (nom)。

    您能否附上您的 Tina sim 文件供我查看?
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    e2e.ti.com/.../TPS7A85_5F00_TRANS.TSMI还随附了 TPS7A85A 符号、您可能需要按照我的方式编辑该符号。

    e2e.ti.com/.../TPS7A85A_5F00_3_5F00_LDOs_5F00_Parallel.TSC

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    您好!Dylan、

    借助 ANE-OUT 博客中所述的连接、您可以将输出更改为1.025V 或1.016V:

    您可以通过以下连接在 TPS7A85A 上实现1.025V 输出:

    将800mV 引脚连接到 SNS。

    将50mV 和400mV 引脚接地。

    800mV 引脚连接到内部2xR 电阻器。 通过将 SNS 连接到800mV 引脚、连接到 SNS 的2xR 反馈电阻器现在与连接到800mV 引脚的2xR 电阻器并联。 这将创建一个值为 R 的新反馈电阻器

    ANY 输出电阻器以同相放大器配置进行连接、因此通常的公式适用。

    VOUT = 0.8 x (1 +(Rf/Rg))、其中 Rf = R

    对于1.025V 输出、所需的 Rg = 3.56xR。

    要获得3.56xR、请通过将50mV 引脚和400mV 引脚接地来并联32xR 和4xR。 32xR // 4xR = 3.56xR。

    Vout = 0.8 x (1 +(R / 3.56xR))= 1.025V

    由于反馈电阻器现在为 R、因此每个 ANE-OUT 引脚将为输出贡献其正常电压的1/2。 通过将50mV 连接到 GND、您可以向输出电压添加25mV。 通过将400mV 连接到 GND、您可以向输出电压添加200mV。 新的输出电压设定值= 25mV + 200mV + 0.8V = 1.025V

    _________________________________

    您可以通过以下连接实现1.016V 输出:

    将1.6V 引脚连接至 SNS。

    接地50mV、200mV、400mV 引脚。

    您可以通过将1.6V 引脚连接到 SNS 来创建等于(2/3) xr 的反馈电阻器。

    RF = 0.667xR =(2/3) xr

    VOUT = 0.8 x (1 +(Rf/Rg))= 0.8 x (1 +(0.667xR/ Rg))

    对于1.02V 输出、所需的 Rg = 2.424xR

    如果并联32xR、8xR 和4xR、则获得2.46xR。 由此得出 Vout = 1.016V

    我将附上 TINA 原理图、其中显示了1.025V 和1.016V 的这两个示例

    e2e.ti.com/.../TPS7A85A_5F00_3_5F00_LDOs_5F00_Parallel_5F00_newVout.TSC

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    Eric、

    感谢您的清晰 简洁。

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    Eric、

    感谢您的清晰简洁!

    我对 voutmax (min)还有另一个问题。 我想增加 Voutmax (min)、电流 voutmax (min)(3个并联 LDO 和10m Ω 镇流电阻)、从而得到0.960V 的 Voutmax (min)。 当使用 Voutmax (min)公式时、我可以看到添加4个 LDO 产生6m Ω 镇流电阻、Voutmax (min)变为0.977V。

    现在、在我的情况下、由于房地产问题、4个 LDO 成为问题。 我的问题是、是否可以使用3个 LDO 和更低的镇流电阻器值? 我知道配重方程计算3个 LDO 以及 Imax 至10m Ω、但建议使用较小的配重值、例如6mohms w/ 3LDO、以获得更好的 Voutmax (min)吗?
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    您好!Dylan、

    更大的镇流电阻器可实现更好的电流共享平衡。 当镇流电阻值减小时、LDO 输出电压之间的差异将导致更大的电流共享不平衡。

    如果您可以容忍更高的电流不平衡以换取更高的最小 Vout、请在公式中调整 IoutMaxSingle。 这是最坏情况不平衡期间来自一个 LDO 的最大电流。 以下是一个示例:

    IoutMaxSingle = 4.7A (最小电流限制规格)
    配重= 5 Mohms
    VoutTotMin = 0.977V
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    谢谢 Eric!

    我还有一个问题。 因此、您一直在为我提供帮助的整个 TPS7A85A 原理图是使用开关稳压器的设计的替代设计。 由于噪声是开关稳压器的主要问题、我们一直在研究和评估设计的 LDO 线性稳压器。 我对使用 TINA 相当陌生、想知道您是否能帮助解释如何以 dB 与频率的形式并联模拟3个 LDO 的输出噪声?
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    您好!Dylan、

    输出电压噪声是由输出端的 LDO 产生的噪声。 您还可以检查 PSRR 以评估 LDO 对其输入端噪声的抑制。 PSRR 性能将向您展示在目标频率下通过 LDO 的噪声/纹波量。

    输出电压噪声在 TPS7A85A 数据表电气特性表中以 uVRMS 表示、带宽为10Hz 至100kHz。 在典型特性图中、典型性能如图11中的 uVRMS 和图12 - 16中的 uV/sqrt (Hz)所示。

    您是否在寻找以 dBC (相对于载波的 dB)与频率为单位的相位噪声?

    我尝试运行噪声分析并遇到错误"无法创建文件"。此 e2e 文章中介绍了该问题:
    e2e.ti.com/.../442084
    我仍在努力让噪声仿真在 TINA 中工作。

    以下是一些解释噪声规格的参考文献:
    www.ti.com/.../slyt201.pdf 了解线性稳压器中的噪声
    www.ti.com/.../slva079.pdf 有关 PSRR 和噪声定义、请参阅第8和9节
    www.ti.com/.../slyy076.pdf 测量 LDO 噪声
    www.ti.com/.../slyt489.pdf 详细检查 LDO 噪声
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    谢谢 Eric!

    因此、我 通过"Analysis"选项卡>"噪声分析"仿真了我的设计的输出噪声

    这是我的 sim 的结果:

    这是数据表比较:

    我的仿真输出噪声、看起来有点像数据表中的典型输出噪声。 不过、我想知道数据表是如何计算噪声的。 例如、上面的图18 说明 4个10Hz 至100kHz 并联噪声的 LDO 为4.3uVrms。 我想知道 如何计算该4.3uVrms。  我找不到直接公式、想要计算我的设计的总输出噪声。

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    您好!Dylan、

    要计算 uVrms、请参阅本应用手册中的公式6:
    www.ti.com/.../slyy076.pdf
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    您好 Eric、

    关于三个 TPS7A85A 并联的布局和放置、是否首选并联器件尽可能靠近? 他们是否有任何关于放置镇流器电阻器的建议? 查看 TPS7A85A 的 EVAL 板、这两个器件看起来间距相当大。

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    您好!Dylan、

    TI 设计在电路板顶层使用布线来实现镇流电阻器、它们彼此相邻(用红色圆圈标出):

    我建议为输出电压填充较大的面积、连接镇流电阻器。 填充量较大时、镇流电阻器之间的压降最小。 您可以使用 HyperLynx 之类的工具来仿真电路板布局中从镇流电阻器输出到电路板负载的压降。

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    感谢您的快速响应。

    TI 之所以选择将走线作为镇流器电阻器而不使用实际的5m Ω 电阻器器件、有什么原因或优势?

    好的、似乎实际的 TPS7A85A 器件(U1和 U2)本身并不一定要彼此靠近、只要我们将镇流电阻器放置在彼此靠近且填充较大的位置、那么我们应该是可以的。
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    您好!Dylan、

    我认为 TI 设计选择了使用迹线实现的镇流电阻器、以表明可以实现。

    使用5 m Ω 电阻器部件时、该设计将更加灵活、因为您可以在设计要求发生变化时轻松更改镇流器电阻器。 如果您具有分立式电阻器、则可以将设计布局重复用于其他输出电流。

    好的、带有外部组件的 TPS7A85A 应该彼此相邻、但是镇流器电阻器的位置对于更靠近在一起更重要。
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    您好 Eric、

    我还有另一种改善 Vout 分辨率的情况、但这次 Vout = 1.8V。

    通过接受您在上面提供的消息和您参考的博客、无法实现 Vout= 1.816V、因为将1.6V 引脚连接到 SNS 时的范围会降低0.8V 至1.317V (根据博客)。

    因此、我考虑实现 Vout = 1.825V、将800mV 引脚连接到 SNS、从而提供0.8V 至1.175V 和1.6V 至1.975V 的两个范围。 因此、我应该可以使用此方法获得1.825。

    计算:因此、对于 Rg、我得到0.7805、但是、当并联弹出引脚时、我无法获得该增益。 我得到的最接近的是并联100mV、400mV 和1.6V 引脚、从而产生0.762的 Rg。

    不确定我的计算结果是否有误、或者是否可以获得 Vout = 1.825V?

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    您好!Dylan、

    将800mV 引脚连接至 SNS。
    将这些引脚连接至 GND:50mV、400mV、1.6V
    VOUT = 1.825V

    说明:

    您可以将800mV 引脚连接到 SNS、SNS 将连接到 SNS 的2xR 反馈电阻器与连接到800mV 引脚的2xR 电阻器并联。 这将创建一个值为1xR、RF = R 的新反馈电阻器
    这会将 Vout 公式更改为:

    VOUT = 0.8 x (1 +(Rf/Rg))= 0.8 x (1 + R/ Rg)
    对于1.825V 输出、所需的 Rg = 0.7805
    要获得0.7805xR、请通过将50mV 引脚、400mV 引脚和1.6V 引脚接地并联32xR、4xR、1xR。

    由于反馈电阻器现在为 R、因此每个 ANE-OUT 引脚将为输出贡献其正常电压的1/2。 50mV 引脚贡献25mV、400mV 引脚贡献200mV、1.6V 引脚贡献0.8V

    VREF = 0.8V、因此0.8V + 25mV + 200mV + 0.8V = 1.825V
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    您好 Eric、

    在"布局"下的数据表中、它提到了连接到信号 GND 的多个引脚、例如13、3、8。 您是否知道弹出引脚是否需要连接到信号 GND? 数据表仅提到将其绑定到 GND。 反馈 R2连接到信号 GND、因此我质疑是否还必须连接弹出引脚、因为它们是决定输出电压的因素。

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    您好!Dylan、

    是的、将 ANE-OUT 引脚接至信号接地。 这将有助于防止由于电流流入电源 GND 而导致输出电压变化。
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    您好 Eric、

    如何计算3个并联 LDO 在最坏情况下的电流共享精度?
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    您好!Dylan、

    通过对输出进行裕量调节来计算最坏情况下的不平衡。 将一个 LDO 设置为 Vout (nom)+ 1%、将一个设置为 Vout (nom)- 1%。 将第3个 LDO 设置为 Vout (nom)。

    VOUT (nom)= 1.02V、因此具有裕量的上行输出= 1.03V、具有裕量的下行输出= 1.01V

    要计算 Vout (组合)、请将第3个 LDO 设置为 Vout (nom)= 1.02V、Iout = 2.667/A (总电流的1/3)。 VOUT (组合)= 0.99333V

    LDO 裕量上升的 Iout =(1.03V - 0.99333V)/10 m Ω= 3.66A

    LDO 裕量下限的 Iout =(1.01V - 0.99333V)/10m Ω= 1.667A

    最坏情况下的不平衡= 3.667 A - 1.667 A = 2.0A

    仿真验证:

    我无法准确地使用 ANY 输出达到这些输出电压、因此我使用 ANY 输出进行了更高或更低的裕度调节、以过度估计 TINA 中的最大电流不平衡。

    1.041V:+2%输出裕度

    1V:-2%输出裕度

    LDO U1 = 1.041V、Iout = 4.688A

    LDO U2 = 1.02V、Iout = 2.667A

    LDO U3 = 1V、Iout = 0.645A

    最坏情况下的不平衡= 4.688A - 0.645A = 4.043A

    e2e.ti.com/.../TPS7A85A_5F00_3_5F00_LDOs_5F00_Parallel_5F00_Ibalance.TSC

    作为参考、当每个 LDO 设置为1.02V 输出、同时 Iout = 8A 等电流和10 m Ω 镇流电阻器时、输出电压为0.994V。每个 LDO 提供2.67A

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    感谢 Eric 的详细回答。

    现在、由于散热问题不符合要求、我似乎需要4个并联的 LDO。 因此、要找出4个 LDO 最坏情况下的不平衡、我们将如何解决? 我们是否还会将第4个 LDO 设置为标称值?

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    您好!Dylan、

    您可以通过上下调整(裕度调节)输出来调整 TINA 仿真、以找出最坏的情况、然后继续执行+1%和-1%的计算。 我这么做了、发现第四个 LDO 设置为标称 Vout 时的最大输出电流不平衡。

    如果输出电流不平衡高于所需值、则需要将镇流电阻器值从10 m Ω 增加。
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    '如果输出电流不平衡高于所需值、则需要将镇流电阻值从10 m Ω 增加。'

    不过、根据配重公式、当4个 LDO 并联时、Rb 看起来像是6mohms。 那么、不确定是否首选增大它?
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    如果使用较小的镇流电阻器、则可能会出现较高的电流不平衡。

    使用较小的镇流电阻器可提高输出电压精度、但这必须与输出电流不平衡进行折衷。
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    尊敬的 Eric:

    仅为了澄清一下、如果我使用容差为0.5%而不是1%的镇流器电阻器。 我的 Vout 容差为+/- 0.5%、而不是+/-1%、对吧?

    因此 Voutnom = 1.02V、Vout 裕量上升= 1.025V、Vout 裕量下降= 1.015V。

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    您好!Dylan、

    您仍会使输出+/- 1%裕度。 此1%与镇流电阻无关。 对于最坏情况下的不平衡、请将裕量增强型 LDO 设置为使用容差较低的镇流电阻。

    例如:
    VOUT (nom)= 1.02V +/- 1%、配重= 10 Mohms +/- 0.5%
    LDO 1 = 1.03V、配重= 9.5 Mohms
    LDO 2 = 1.02V、配重= 10 Mohms
    LDO 3 = 1.02V、配重= 10 Mohms
    LDO 4 = 1.01V、配重= 10.5 Mohms
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    Eric、

    谢谢你。

    因为4个并联的 LDO 几乎已完成。 我对2个并联 LDO 有疑问。 它看起来像控制环路方法(TIDU421)、因为它在输出端提供高精度和更好的电流共享。 看一下 TIDU421设计、它使用了不同的 LDO、所选的组件似乎是特定于该 LDO 的。 由于我希望改用 TPS7A85A、我如何才能确保我选择了合适的运算放大器(文档中说明"选择具有适当 CMRR 电压范围的运算放大器时必须小心")、至于反馈电阻器、他们选择了15k、 但不显示用于选择该值的任何计算。 至于感应电阻器、他们说应该使用30mohms 或更低的标称值、是否有任何支持该值的计算? 此值是否可以用于我的应用?

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    我尝试使用 TINA TI 中的控制环路和感应电阻器来实现 tps7a85a 器件、并且瞬态波形不是我所期望的。 巨大的波纹。 我认为这可能与运算放大 器有关、当不将负电源接地并将电源连接到 VIN 时、尽管必须使用正负电源为运算放大器加电、但瞬态波形符合我的预期。

    e2e.ti.com/.../TPS7A85A_5F00_Parallel_5F00_VOUT_5F00_1V_5F00_LIN_5F00_Control-Loop.TSC

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    您好!Dylan、

    我想看看我们是否已经针对 TIDU421进行了任何计算或仿真。 如果不是、我需要花一些时间来看看这一点、然后再返回给您。
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    Eric、

    好的、谢谢。

    我尝试 使用 TINA TI 中的控制环路和感应电阻器来实现 tps7a85a 器件、并且瞬态波形不是我所期望的。 巨大的波纹。 我认为这可能与运算放大器有关、当不将负电压接地 并将电源连接到 VIN 时、尽管必须使用正电压和负电压为运算放大器 amp.e2e.ti.com/.../2538.TPS7A85A_5F00_Parallel_5F00_VOUT_5F00_1V_5F00_LIN_5F00_Control-Loop.TSC 上电、但瞬态波形符合我的预期

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    您好 Eric、

    只是跟进一下这个问题。

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    您好!Dylan、

    我的同事 Ryan 将回答您有关 TIDU421的问题。 您应该很快得到回复、很抱歉耽误您的时间。
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    您好!Dylan、

    我对我的答复拖延表示歉意。 下面的 E2E 帖子显示了如何计算15k 电阻器。

    e2e.ti.com/.../724025

    非常尊重、
    Ryan
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    尊敬的 Eric:

    这是我用于放置4个并联 LDO 的方法、这是我在电路板上的空间量。 他们是否对我的零部件布局方式有任何顾虑? 按照评估板的方式、我没有太多的空间来为 LDO 留出空间。 这也是连接镇流电阻器的输出电压所需的填充面积的大小。 这足够了吗?

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    您好!Dylan、

    放置看起来正常。 由于您的应用空间不大、因此您需要注意热性能。 这些 LDO 的主要散热器是 PCB 铜、尤其是 GND 层。 因此、您仍希望在应用限制范围内最大限度地增加连接到 LDO 的铜。 听起来您已经打算这样做了。 为了帮助更大限度地提高 LDO 的覆铜、以改善热性能、需要考虑电路板的覆铜重量更高、并并联几个散热过孔、以帮助将热量传递到可能可用的电路板其他层。

    非常尊重、
    Ryan
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    感谢 Ryan 对15k 电阻器的回应。

    现在、如何计算感应电阻器? 与运算放大器输入端的电阻器一起使用?

    我知道、对于 TIDA-01232、该文档为我们提供了计算镇流电阻的公式。 我希望我们能够详细介绍一下感应电阻器。

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    此外、您还可以看看我在前面的回答中提供的仿真、看看我做了什么错。 我以与基准相同的方式构建电路 设计、但我在输出端得到高纹波。 如果可能、您可以提供一个与控制环路并联使用 TPS7A85A 的仿真示例吗?
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    您好!Dylan、

    感应电阻器需要足够大、以便其上的压降大于所选运算放大器的偏移误差。 您将需要限制电阻器的尺寸以降低功率损耗。

    虽然我们没有任何理由认为 TPS7A85A 不能用于与 TIDU421中 TPS74401类似的配置、但我们尚未使用此电流共享方法模拟或基准 TPS7A85A。

    非常尊重、
    Ryan