LDO 穩(wěn)壓器綜合指南：應(yīng)對噪聲、危害、應(yīng)用和LDO發(fā)展趨勢

大多數(shù)電子設(shè)備的電源電壓都高于電子設(shè)備的典型工作電壓。例如，計算機的電源適配器插入 110 V AC /220 V AC壁式插座，消耗的電流不到 1 安培。在各種功率半導體執(zhí)行一系列降壓轉(zhuǎn)換后，計算機的處理器最終可以在 1 V DC以下工作，但峰值時可能會消耗許多安培。這些示例中有許多不同的內(nèi)部電壓軌，范圍從 1 V 以下到 12 V。

低壓差穩(wěn)壓器，通常稱為 LDO 穩(wěn)壓器，廣泛用于各種電子應(yīng)用中，以調(diào)節(jié)和控制由較高輸入電壓電源提供的較低輸出電壓。雖然 LDO 穩(wěn)壓器通常在任何電源管理教科書的開頭介紹，并且通常被認為是一種非常簡單的設(shè)備，但電路設(shè)計人員可能不太了解選擇 LDO 穩(wěn)壓器時除了電壓和電流額定值之外的某些關(guān)鍵技術(shù)特性。本文重點討論 LDO 穩(wěn)壓器的低噪聲要求，解釋其他低噪聲電源解決方案，并介紹需要低噪聲電源的關(guān)鍵應(yīng)用。

噪音——其來源及處理方法

LDO 穩(wěn)壓器很少直接用于將電源連接到其他電路 — 在大多數(shù)情況下，功率損耗太大。相反，設(shè)計人員通常使用 AC-DC 或 DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器。當電源(電池到 AC)為開關(guān)穩(wěn)壓器供電時，它可能會產(chǎn)生自己的噪聲，并可能拾取由電纜或 PCB 中的輻射和其他影響產(chǎn)生的外部噪聲。更糟糕的是，這種開關(guān)穩(wěn)壓器中永遠沒有理想的開關(guān)，所有開關(guān)事件都會產(chǎn)生尖峰和振鈴，最終成為內(nèi)部噪聲。開關(guān)穩(wěn)壓器可能遠離負載放置，可能會在其路徑上拾取額外的外部噪聲。

通常會添加一個 LDO 穩(wěn)壓器來降低穩(wěn)壓器輸出并饋入負載，因為 LDO 穩(wěn)壓器可以提供更好的調(diào)節(jié)，抑制輸出紋波，或者可能有多個需要不同電壓的負載。LDO 穩(wěn)壓器將接收饋入其輸入的所有噪聲，并可能產(chǎn)生自己的噪聲，如果不加以處理，所有這些噪聲都可能傳遞到負載(圖 1)。由于很難模擬，我們無法預測噪聲的頻譜和幅度，它可能會干擾非常敏感的負載電路(這就是為什么發(fā)燒友在更換電源時可以分辨出音質(zhì)的差異)。其他典型的敏感負載電路可能包括射頻放大器、時鐘和定時 IC、SERDES、精密模擬和圖像傳感器，以及可在醫(yī)療設(shè)備、測試儀器、電信、汽車和數(shù)據(jù)中心中找到的電路。

圖 1：電源中的噪聲(來源：ADI)

電路設(shè)計師采取了不同的方法來降低電源中的噪聲。在穩(wěn)壓器之前和之后添加鐵氧體磁珠或低通濾波器來過濾高頻噪聲是有幫助的;然而，它們可能體積龐大且價格昂貴。當設(shè)計師在完成初始設(shè)計原型后發(fā)現(xiàn)需要這樣的濾波器時，這是非常痛苦的。

低噪聲設(shè)計的一個著名方法是使用 ADI 公司的 Silent Switcher®開關(guān)穩(wěn)壓器。該產(chǎn)品系列采用了降噪技術(shù)，同時又不影響尺寸、效率或過多的組件。該專有設(shè)計系列現(xiàn)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關(guān)環(huán)路來消除磁場。第二代集成了精密電源電容器，消除了 PCB 布局敏感性。第三代包括 Silent Switcher 1 產(chǎn)品的功能，可在低頻下提供超低噪聲和超快瞬態(tài)響應(yīng)。Silent Switcher 穩(wěn)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。

另一種常用方法是使用低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器。圖 2 顯示了典型的框圖。低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器設(shè)計為精密電流基準，后接高性能電壓緩沖器。它們主要具有三個關(guān)鍵特征：PSRR、總集成輸出噪聲和噪聲頻譜密度。

PSRR 表示由輸入電壓引起的輸出電壓波動(圖 3)。它在特定頻率下以對數(shù)形式表示，并隨負載和輸入/輸出電壓而變化。本質(zhì)上，由于我們不希望輸入噪聲反映在輸出端，因此使用高 PSRR 的 LDO 穩(wěn)壓器至關(guān)重要。由于可以通過在 LDO 穩(wěn)壓器前后添加小型低通濾波器來改善高頻 PSRR，因此在 IC 選擇中，較低頻率的 PSRR 更為重要。在選擇零件時，請記住，每 20 dB 的差異都會在抑制紋波方面好 100 倍或差 100 倍。

圖 2：典型的低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器框圖(來源：ADI)

圖 3：低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器的典型 PSRR(來源：ADI)

下一個重要的圖是噪聲密度與頻率的關(guān)系圖，如圖 4 所示。有些通信相關(guān)應(yīng)用對頻譜有規(guī)定;因此，必須控制噪聲才能通過認證測試。還有一些傳感器應(yīng)用，其中環(huán)境信號在某個低頻下被感測和處理。因此，設(shè)計人員應(yīng)檢查感興趣頻率附近的頻譜噪聲密度曲線。

最后一個重要因素是總(積分)輸出噪聲，即有限頻率范圍內(nèi)積分的頻譜噪聲密度的均方根值。對于模數(shù)或數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，從 DC 到系統(tǒng)帶寬的所有 LDO 穩(wěn)壓器噪聲都集成在一起，影響系統(tǒng)精度。因此，總輸出噪聲對于此類應(yīng)用很重要。圖 5 顯示了LT3045的積分噪聲，它比鋰離子電池更安靜。

圖 4：噪聲密度與頻率的關(guān)系(來源：ADI)

妥協(xié)

對于幾乎所有需要至少一個高級處理器和其他電路的應(yīng)用，都需要包含多個輸出軌的復雜電源。在這里，設(shè)計人員可以從各種選項中進行選擇，例如 PMIC(多輸出、單芯片)IC、多個單輸出穩(wěn)壓器或多個 LDO 穩(wěn)壓器。如果這些輸出軌中的部分或全部都需要低噪聲，那么選擇就變得相當不清楚。

從教科書中，我們很容易理解開關(guān)穩(wěn)壓器通常比 LDO 穩(wěn)壓器更高效，而且 LDO 穩(wěn)壓器電路更容易設(shè)計。但在現(xiàn)實世界中，這有點復雜。以 ADI 的AD9162為例。它是一種廣泛用于電信和儀器儀表系統(tǒng)的 IC。它總共需要 10 個電源軌，分為 4:2:4 的模擬電源、數(shù)字電源和 SERDES 電源。雖然可以將其中幾個電源軌組合起來，但我們至少需要六個電源。值得注意的是，模擬 1.2 V 是設(shè)備上對噪聲最敏感的電源，其次是模擬 2.5 V 和模擬 -1.2 V。

這里一種可能的方法是使用多個 Silent Switcher 穩(wěn)壓器，例如最新發(fā)布的額定電壓為 18 V/2 A 的LT8622S或額定電壓為 5 V/3 A 的LTC3307B。它們最有可能滿足低噪聲要求，而無需添加外部濾波器。

但是，如果所有電源軌均由 Silent Switcher 穩(wěn)壓器供電，系統(tǒng)尺寸和成本會略高。另一種方法結(jié)合了高效率、低成本、小尺寸解決方案和低噪聲等所有優(yōu)點，即使用 PMIC 和反相穩(wěn)壓器作為第一級。一個例子是四路輸出 PMIC，如LTM4644、LTC3370、ADP5054(用于 12 V 總線)和LT8330 / ADP5073(用于反相穩(wěn)壓器)。然后，每個輸出軌后面都是低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器，所有敏感電壓軌上都配有低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器(1.2 VV?D除外)(圖 6)。

如果需要更高的電壓或更高的額定電流，ADI 還提供 Silent Switcher 四路輸出 PMIC，例如LT8692S、LT8686S、LT8685S和LT7200S 。

設(shè)計人員還可以考慮將低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器保持在 3.3 V I/O和 -1.2 V A上，并用四個單通道 Silent Switcher 穩(wěn)壓器替換 PMIC 和后續(xù) LDO 穩(wěn)壓器。

為了總結(jié)選擇標準，設(shè)計人員可以參考表 1 中的低噪聲解決方案。一般來說，當輸入源噪聲很大、負載電流較低、需要最低輸出紋波或需要最低噪聲時，ADI 建議使用超低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器。

對于 5 A+ 的負載電流，設(shè)計師幾乎只青睞低噪聲 PMIC 或開關(guān)穩(wěn)壓器(盡管 LDO 穩(wěn)壓器也可以并聯(lián)以支持大電流)。

對于 2 A 至 5 A 的負載電流，每個設(shè)計人員可以自行選擇 LDO 穩(wěn)壓器(例如ADP7158 / ADP7159、LT3073、MAX38907)或各種 Silent Switcher 穩(wěn)壓器。

圖 5：集成輸出噪聲(10 Hz 至 100 kHz);低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器 LT3045 比電池更安靜(來源：ADI)

圖 6：為噪聲敏感型 DAC 供電的低噪聲電源解決方案(來源：ADI)

應(yīng)用程序

ADI 是低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器的市場領(lǐng)導者。在最近收購 Linear Technologies 和 Maxim Integrated 后，產(chǎn)品組合進一步增強。ADI 現(xiàn)在擁有從 -20 V 到 +20 V 額定值、從 100 mA 到 5 A 的超低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器產(chǎn)品組合。

在數(shù)百家客戶中，列舉了一些典型的應(yīng)用示例：

· 一家著名的 DSLR 相機制造商選擇低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器為其圖像傳感器供電，因為處理傳感器信號需要超低噪聲

· 亞馬遜最暢銷的熱像儀制造商選擇低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器為其紅外傳感器供電，因為它們是市場上噪聲最低的解決方案

· 一家汽車一級供應(yīng)商、高級駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 客戶選擇低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器為其雷達和射頻電路供電(ADI 還為該客戶提供整套符合 AEC 標準的電源解決方案)

· 內(nèi)窺鏡客戶選擇了低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器，以實現(xiàn)低噪聲和小尺寸的解決方案

· 一家半導體自動測試設(shè)備 (ATE) 客戶選擇 ADI 電源模塊和 LDO 穩(wěn)壓器為其 ASIC 供電

· 游戲耳機客戶選擇低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器為其音頻 DAC 供電

· 一家打印機客戶因低紋波要求而選擇了低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器

· 流量計客戶選擇低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器，因為它具有高 PSRR 和低紋波特性

· 一家大規(guī)模 MIMO 客戶選擇低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器為其 GaN 功率放大器供電

一般而言，低噪聲電源對于大多數(shù)敏感應(yīng)用至關(guān)重要，設(shè)計師告訴我們，他們寧愿默認選擇低噪聲電源 IC，以便在設(shè)計中提供額外的裕度。如果您在設(shè)計中遇到任何干擾問題，也許可以先檢查一下電源。

先進 LDO 穩(wěn)壓器的未來

ADI 擁有各種超低噪聲、超高 PSRR LDO 穩(wěn)壓器。ADI 還設(shè)計和銷售數(shù)百種其他 LDO 穩(wěn)壓器，這些穩(wěn)壓器具有各種功能，如高擊穿電壓、低靜態(tài)電流和自適應(yīng)引腳，允許上游 DC-DC 跟蹤 LDO 穩(wěn)壓器負載等。盡管如此，市場仍然需要具有更多功能的更好的 LDO 穩(wěn)壓器。我們的客戶要求我們提供噪聲更低、多通道、數(shù)字可配置、更快瞬態(tài)響應(yīng)和各種創(chuàng)意的 LDO 穩(wěn)壓器。雖然它看起來仍然像一個簡單的設(shè)備，但 LDO 穩(wěn)壓器永遠不會消失，并將像所有其他半導體一樣不斷發(fā)展。