【導讀】本文介紹 LDO穩壓器選型 時(shí)幾個(gè)不太注意的關(guān)鍵參數。還針對特殊低噪聲要求，將開(kāi)關(guān)穩壓器和LDO穩壓器進(jìn)行了比較。此外還討論了行業(yè)趨勢，以及介紹需要高性能LDO穩壓器的應用。
簡(jiǎn)介
大多數電子設備電源提供的電壓都高于電子設備的典型工作電壓。例如，計算機的電源通過(guò)適配器插入110 VAC/220 VAC壁式插座，其消耗的電流小于1A。在各種功率半導體執行一系列降壓轉換后，計算機的處理器最終可能在低于1 VDC的電壓下工作，但其峰值電流可能較高。在此類(lèi)例子中，包含許多電壓范圍從低于1 V到12 V的不同內部電壓軌。
低壓差穩壓器通常稱(chēng)為L(cháng)DO穩壓器，廣泛用于各種電子應用，用于調節和控制從較高輸入電壓電源中輸出的較低電壓。雖然LDO穩壓器通常出現在電源管理教科書(shū)的起始章節，并且一般都認為這是一種非常簡(jiǎn)單的器件，但在電路設計中選擇LDO穩壓器時(shí)，除了電壓和電流額定值之外，還有一些技術(shù)特性也至關(guān)重要，而電路設計人員可能對此不甚了解。本文重點(diǎn)討論LDO穩壓器的低噪聲要求，闡述了其他低噪聲電源解決方案，并介紹了一些需要低噪聲電源的關(guān)鍵應用。
噪聲的來(lái)源及處理方法
LDO穩壓器很少直接從輸入電源轉化后連接到其他電路——大多數情況下，這種使用方式的功率損耗會(huì )非常大。相反，設計人員通常使用AC-DC或DC-DC開(kāi)關(guān)穩壓器。當電源（電池或AC）為開(kāi)關(guān)穩壓器供電時(shí)，電源本身可能有噪聲，并且可能會(huì )引入電纜中或PCB上的輻射以及其他效應產(chǎn)生的外部噪聲。更糟糕的是，這種開(kāi)關(guān)穩壓器從來(lái)不存在理想的開(kāi)關(guān)器件，所有開(kāi)關(guān)事件都會(huì )產(chǎn)生尖峰和振鈴，最終會(huì )成為內部噪聲。開(kāi)關(guān)穩壓器可能遠離負載放置，沿著(zhù)其路徑可能會(huì )引入額外的外部噪聲。
由于LDO穩壓器可提供較好的穩壓性能并抑制輸出紋波，或者電路中可能存在多個(gè)負載，需要不同的電壓，所以電路中通常都會(huì )添加LDO穩壓器，用于降低穩壓器輸出電壓并向負載供電。LDO穩壓器將接收所有饋送至其輸入端的噪聲，并且本身也可能產(chǎn)生噪聲，如果不進(jìn)行處理，所有這些噪聲都可能傳遞到負載（圖1）。由于我們無(wú)法預測噪聲的頻譜和幅度，所以噪聲很難仿真，因此它可能會(huì )干擾非常敏感的負載電路（這就是為什么更換電源后，音響發(fā)燒友可以分辨出音質(zhì)的差異）。其他典型的敏感負載電路可能包括：射頻放大器、時(shí)鐘和時(shí)序IC、SERDES、精密模擬和圖像傳感器，以及醫療設備、測試儀器、電信、汽車(chē)和數據中心中可能存在的此類(lèi)電路。
圖1.電源中存在噪聲
電路設計人員采用多種不同方法來(lái)降低電源中的噪聲。在穩壓器前后添加鐵氧體磁珠或低通濾波器有助于濾除高頻噪聲；然而，這些元件可能尺寸較大且很昂貴。如果設計人員在完成最初的原型設計后，發(fā)現需要添加此類(lèi)濾波器，就會(huì )很棘手。
一種有名的低噪聲設計方法是使用ADI公司的Silent Switcher?開(kāi)關(guān)穩壓器。該產(chǎn)品系列所采用的降噪技術(shù)，對尺寸和效率都沒(méi)有影響，也沒(méi)有過(guò)多的元件。該系列專(zhuān)有設計現已發(fā)展到第三代。第一代Silent Switcher 1產(chǎn)品使用一對極性相反的開(kāi)關(guān)環(huán)路來(lái)抵消磁場(chǎng)。第二代集成了精密電源電容，消除了PCB布局敏感性。第三代融合了Silent Switcher 1產(chǎn)品的功能特性，提供低頻超低噪聲和超快瞬態(tài)響應性能。Silent Switcher穩壓器可支持高達65 V的輸入電壓和高達30 A的負載電流，并提供降壓、升壓或降壓-升壓拓撲功能。有關(guān)更多信息，請訪(fǎng)問(wèn) Silent Switcher產(chǎn)品頁(yè)面。
另一種常用方法是使用低噪聲LDO穩壓器。典型框圖如圖2所示。低噪聲LDO穩壓器設計為精密電流基準，后接高性能電壓緩沖器。此類(lèi)器件具有以下三個(gè)主要特性：PSRR、總積分輸出噪聲和噪聲譜密度。
PSRR表示輸入電壓引起的輸出電壓波動(dòng)（圖3）。它在特定頻率下以對數形式表示，并隨不同負載和輸入/輸出電壓而變化。本質(zhì)上，我們不希望輸入噪聲出現在輸出端，因此使用具有較高PSRR的LDO穩壓器至關(guān)重要。由于高頻PSRR可以通過(guò)在LDO穩壓器前后添加小型低通濾波器來(lái)改善，因此在選擇IC時(shí)應著(zhù)重考慮較低頻率下的PSRR。選擇器件時(shí)，請記住每20 dB的差異會(huì )造成抑制紋波性能好100倍或差100倍。
圖2.典型低噪聲LDO穩壓器框圖
圖3.低噪聲LDO穩壓器的典型PSRR
下一個(gè)重要的因素是噪聲密度與頻率的關(guān)系，如圖4所示。有些與通信相關(guān)的應用對工作頻譜有相關(guān)規定；因此，必須控制噪聲才能通過(guò)認證測試。還有一些傳感器應用，其中會(huì )檢測和處理某一低頻下的環(huán)境信號。因此，設計人員應檢查目標頻率周?chē)念l譜噪聲密度曲線(xiàn)。
最后一個(gè)重要因素是總輸出噪聲，它是在有限頻率范圍內累加的噪聲譜密度的均方根值。對于模數或數模轉換電路，LDO穩壓器從DC到系統帶寬的所有噪聲都會(huì )累加在一起，從而影響系統精度。因此，總輸出噪聲對于此類(lèi)應用非常重要。圖5顯示了 LT3045的積分輸出噪聲，它比鋰離子電池更干凈。
圖4.噪聲密度與頻率的關(guān)系
折衷方案
幾乎所有需要配備至少一個(gè)高級處理器和其他電路的應用，都需要提供包含多個(gè)輸出軌的復雜電源。設計人員有多種方案可以選擇，例如PMIC（多路輸出、單芯片）IC、多個(gè)單路輸出穩壓器或多個(gè)LDO穩壓器。如果部分或全部輸出軌需要低噪聲，那么就很難做出明確的選擇。
從教科書(shū)中我們很容易了解到，開(kāi)關(guān)穩壓器通常比LDO穩壓器效率更高，而LDO穩壓器電路更容易設計。在現實(shí)世界中，情況有點(diǎn)復雜。以ADI公司的 AD9162 為例。 它是一款廣泛用于電信和儀器儀表系統的IC。它總共需要10個(gè)電源軌，按照4:2:4的比例分為模擬電源、數字電源和SERDES電源。雖然其中一些電源軌可以合并，但我們至少需要六個(gè)電源。值得注意的是，器件上的模擬1.2 V電源對噪聲最為敏感，其次是模擬2.5 V和模擬-1.2 V電源。
我們考慮使用多個(gè)Silent Switcher穩壓器，例如最新發(fā)布的18 V/2 A額定值 LT8622S 或5 V/3 A額定值 LTC3307B 。這種方式有望滿(mǎn)足低噪聲要求，且不用增加外部濾波器。
然而，如果所有電源軌均由Silent Switcher穩壓器供電，那么系統尺寸和成本會(huì )略微較高。另一種方法是使用PMIC和反相穩壓器作為第一級，該方法具備高效率、低成本、解決方案尺寸小和低噪聲等所有優(yōu)點(diǎn)。例如采用四路輸出PMIC，如 LTM4644、LTC3370、ADP5054 （用于12 V總線(xiàn)），而 LT8330/ADP5073 用于反相穩壓器。然后，在除1.2 V VD之外的所有敏感電壓軌上，每個(gè)輸出軌后面都接有低噪聲LDO穩壓器（圖6）。
如果需要更高的電壓或更高的電流額定值，ADI還提供Silent Switcher四路輸出的PMIC芯片，例如 LT8692S、LT8686S、LT8685S 和 LT7200S。
設計人員還可以考慮保留3.3 VI/O和-1.2 VA上的低噪聲LDO穩壓器，并用四個(gè)單通道Silent Switcher穩壓器替換PMIC和后面的LDO穩壓器。
表1匯總列出了低噪聲解決方案選型標準，供設計人員在設計時(shí)參考。一般而言，當輸入源噪聲很大、負載電流較低、需要超低輸出紋波或需要超低噪聲時(shí)，ADI公司建議使用超低噪聲LDO穩壓器。
對于5 A+的負載電流，設計人員幾乎都會(huì )首選低噪聲PMIC或開(kāi)關(guān)穩壓器（盡管LDO穩壓器也可以并聯(lián)以支持高電流）。
對于2 A至5 A的負載電流，設計人員可酌情選擇 ADP7158/ ADP7159、LT3073、MAX38907 等LDO穩壓器或各種Silent Switcher穩壓器。
圖5.積分輸出噪聲（10 Hz至100 kHz）；低噪聲LDO穩壓器LT3045比電池更干凈。
圖6.為噪聲敏感型DAC供電的低噪聲電源解決方案
表1.低噪聲電源解決方案選型參考
應用
ADI公司是低噪聲LDO穩壓器市場(chǎng)的領(lǐng)軍企業(yè)。最近收購Linear Technologies和Maxim Integrated后，該系列產(chǎn)品得到進(jìn)一步加強。ADI公司提供豐富的超低噪聲LDO穩壓器產(chǎn)品，該類(lèi)產(chǎn)品額定電壓范圍為-20 V至+20 V，電流范圍為100 mA至5 A。
擁有數百個(gè)客戶(hù)，以下是一些典型的應用示例：
● 由于傳感器信號處理要求超低噪聲，一家著(zhù)名的DSLR相機制造商選擇低噪聲LDO穩壓器為其圖像傳感器供電
● 亞馬遜最暢銷(xiāo)熱像儀制造商之一選擇低噪聲LDO穩壓器為其紅外傳感器供電，因為這種穩壓器是市場(chǎng)上噪聲很低的解決方案
● 一家汽車(chē)一級高級駕駛員輔助系統(ADAS)客戶(hù)選擇低噪聲LDO穩壓器為其雷達和射頻電路供電（ADI還為該客戶(hù)提供符合AEC認證的完整電源解決方案）
● 由于噪聲低且解決方案尺寸很小，一家內窺鏡客戶(hù)選擇了低噪聲LDO穩壓器
● 一家半導體自動(dòng)測試設備(ATE)客戶(hù)選擇ADI電源模塊和LDO穩壓器為其ASIC供電
● 一家游戲耳機客戶(hù)選擇低噪聲LDO穩壓器為其音頻DAC供電
● 由于要求低紋波，一家打印機客戶(hù)選擇了低噪聲LDO穩壓器
● 由于要求高PSRR和低紋波特性，一家流量計客戶(hù)選擇了低噪聲LDO穩壓器
● 一家大規模MIMO客戶(hù)選擇低噪聲LDO穩壓器為其GaN功率放大器供電
一般來(lái)說(shuō)，低噪聲電源對大多數敏感應用都至關(guān)重要。設計人員表示，他們更愿意默認選擇低噪聲電源IC，從而在設計中提供額外的裕量。如果您在設計中遇到任何干擾問(wèn)題，也許首先應檢查電源部分。
先進(jìn)LDO穩壓器的未來(lái)
ADI公司提供各種超低噪聲、超高PSRR LDO穩壓器。ADI公司還設計和銷(xiāo)售數百種其他LDO穩壓器，這些穩壓器具有高擊穿電壓、低靜態(tài)電流、自適應引腳等不同特性，支持上游DC-DC跟蹤LDO穩壓器負載等。盡管如此，市場(chǎng)仍然需要性能更好、具有更多特性的LDO穩壓器。還有客戶(hù)要求我們提供噪聲更低、多通道、具有數字配置能力、瞬態(tài)響應更快以及其他各種特性的LDO穩壓器。雖然LDO穩壓器看起來(lái)仍是一種簡(jiǎn)單的器件，但它永遠不會(huì )消失，而且會(huì )像所有其他半導體器件一樣不斷演進(jìn)。如有任何疑問(wèn)或需要支持，請隨時(shí)咨詢(xún)當地的ADI銷(xiāo)售辦事處。如需了解具有附加功能的LDO穩壓器信息，請參閱 LDO線(xiàn)性穩壓器 參數搜索 和 LDO Plus產(chǎn)品系列。
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