LDO 可能比 DC/DC 轉(zhuǎn)換器更嘈雜

近年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，表面貼裝的電感器、電容器以及高集成度的電源控制芯片的成本逐漸降低，體積也日益縮小。得益于導(dǎo)通電阻極小的MOSFET能夠輸出大功率，使得無需外接大功率FET即可滿足需求。例如，對(duì)于3V的輸入電壓，通過芯片上的NFET，即可輕松獲得5V/2A的輸出。此外，針對(duì)中小功率應(yīng)用，成本低廉且封裝尺寸小的方案已成為可能。更令人振奮的是，當(dāng)開關(guān)頻率提升至1MHz時(shí)，不僅成本進(jìn)一步降低，還能選用尺寸更小的電感器和電容器。同時(shí)，一些新型器件還增添了諸如軟啟動(dòng)、限流、PFM或PWM方式選擇等實(shí)用功能。

綜上所述，在升壓應(yīng)用中，DCDC無疑是首選。而在降壓方面，究竟選擇DCDC還是LDO，則需綜合考慮成本、效率、噪聲和性能等多方面因素。

DC-DC轉(zhuǎn)換器涵蓋了升壓、降壓、升降壓以及反相等多種電路類型。其顯著優(yōu)勢(shì)在于高效率、能夠輸出大電流以及低靜態(tài)電流。隨著集成技術(shù)的提升，如今許多新型DC-DC轉(zhuǎn)換器僅需外接幾只電感器和濾波電容器即可工作。但值得注意的是，這類電源控制器的輸出存在脈動(dòng)和開關(guān)噪音，且成本相對(duì)較高。

低壓差線性穩(wěn)壓器 (LDO) 在電路設(shè)計(jì)中無處不在。許多只有三個(gè)終端;VIN、VOUT 和 GND。什么可能出錯(cuò)?某些 LDO 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)已得到充分證明，例如需要觀察正確的輸出電容和等效串聯(lián)電阻 (ESR)。現(xiàn)代 LDO 使這變得更加容易，因?yàn)樗鼈冎С指鞣N輸出電容器，包括低 ESR 陶瓷類型。電源抑制 (PSRR) 等 LDO 性能指標(biāo)也受到關(guān)注，因?yàn)樵撝笜?biāo)定義了 LDO 抑制其輸入紋波和噪聲的效率。

本文介紹了使用 LDO 進(jìn)行設(shè)計(jì)的一些鮮為人知的方面。

重復(fù)負(fù)載瞬態(tài)行為

即使使用低 VIN-VOUT 差分，TPS7A84A 低噪聲 LDO 也能正常工作。LDO 數(shù)據(jù)表通常會(huì)顯示負(fù)載瞬態(tài)行為的波形。TPS7A84A 的示例。閱讀數(shù)據(jù)表時(shí)，重要的是要注意獲取數(shù)據(jù)的測(cè)試條件。圖 1 記錄了輸出電容、VIN-VOUT 差分、偏置電壓、原始負(fù)載電流、負(fù)載電流瞬態(tài)和負(fù)載瞬態(tài)壓擺率。顯示了兩條曲線，唯一的區(qū)別是添加了負(fù)載瞬態(tài)的原始基本負(fù)載。當(dāng)施加負(fù)載瞬態(tài)時(shí)，輸出電壓會(huì)下降并恢復(fù)，因?yàn)殡娏鲝妮敵鲭娙萜髦屑橙。⑶以? LDO 的控制環(huán)路做出反應(yīng)以打開通路 FET 后的短時(shí)間內(nèi)更難提供增加的負(fù)載電流并返回 VOUT為名義上的。

紅色曲線適用于 3A-0.5A=2.5A 的負(fù)載瞬態(tài)，黑色曲線適用于 3A-0.1A=2.9A 的負(fù)載瞬態(tài)。正如預(yù)期的那樣，較大的負(fù)載瞬態(tài)黑色曲線顯示出比紅色更深的下降，但兩者的性能都非常好，VOUT 下降只有 20-30mV。有趣的是，移除負(fù)載階躍時(shí)的過沖擾動(dòng)大于且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)于施加負(fù)載階躍時(shí)的擾動(dòng)。過沖幅度隨著原始負(fù)載電流的減小而增加。通常，當(dāng)移除負(fù)載時(shí)，LDO 會(huì)短暫地繼續(xù)提供其負(fù)載電流，為輸出電容器充電并導(dǎo)致過沖。不久之后，LDO 中的控制回路做出反應(yīng)，逐漸關(guān)閉其通路 FET，以使輸出降至其標(biāo)稱電壓。絕大多數(shù) LDO 不能主動(dòng)吸收負(fù)載電流，只能提供負(fù)載電流，因此唯一將輸出電容器放電至其標(biāo)稱 VOUT 的就是原始負(fù)載。在圖 1 中，500mA 原始負(fù)載(紅色曲線)將比 100mA(黑色曲線)更快地對(duì)輸出電容器放電，并且 VOUT 更快地恢復(fù)到其標(biāo)稱電壓。

原始負(fù)載越低，負(fù)載瞬態(tài)消除后 LDO 將其 VOUT 恢復(fù)到標(biāo)稱值所需的時(shí)間就越長(zhǎng)。現(xiàn)在，如果負(fù)載瞬態(tài)是重復(fù)的，例如某些 RF 類型負(fù)載的情況，那么圖 2 的結(jié)果顯示了 0.56A 的負(fù)載以 2kHz 的速率添加/移除到設(shè)置為 1.4V o/p 的 LDO . 負(fù)載被移除然后重新應(yīng)用之間的實(shí)際時(shí)間是 0.4 毫秒。在圖 2 中，第一個(gè)負(fù)載瞬態(tài)應(yīng)用和移除會(huì)產(chǎn)生較低的下沖和過沖(VOUT 的下降約為 8.5mV)，但第二個(gè)、第三個(gè)和隨后的負(fù)載瞬態(tài)表現(xiàn)出更差的性能。下降已惡化至 ~112mV，即 VOUT 的 8%。

為什么是這樣?原因是在第一次和第二次負(fù)載瞬態(tài)應(yīng)用和移除之間，VOUT 尚未恢復(fù)到其標(biāo)稱電壓，因?yàn)閷?duì)輸出電容器放電的原始負(fù)載電流現(xiàn)在約為 0mA。VOUT 緩慢返回其標(biāo)稱電壓。因此，LDO 中的控制環(huán)路仍在命令 pass-FET 完全關(guān)閉。當(dāng)?shù)诙€(gè)負(fù)載瞬變發(fā)生時(shí)，控制環(huán)路檢測(cè)到 VOUT 正在下降，并且必須以相反的方式做出反應(yīng)，以完全打開其通路 FET，以增加通過它的電流以對(duì)其輸出電容器進(jìn)行再充電并支持增加的負(fù)載。這需要時(shí)間，因此與第一個(gè)負(fù)載瞬態(tài)相比，VOUT 下降得更多。

LDO 可能比 DC/DC 轉(zhuǎn)換器更嘈雜!?

通常，當(dāng)需要安靜的電源軌時(shí)，會(huì)使用 LDO。LDO 會(huì)比 DC/DC 轉(zhuǎn)換器更嘈雜嗎?有可能的用例。LDO 的輸出噪聲在 LDO 內(nèi)部產(chǎn)生，主要由其參考電壓噪聲組成。LDO 的 VIN 上出現(xiàn)的噪聲和紋波電壓被其 PSRR 抑制，并在 VOUT 上出現(xiàn)衰減。正如我們所見，負(fù)載瞬變也會(huì)干擾 LDO 的輸出電壓，其控制環(huán)路旨在衰減這種情況。這三種噪聲和紋波源也存在于 dc/dc 轉(zhuǎn)換器中，此外，與 LDO 不同，它們的輸出端也存在開關(guān)噪聲和紋波。當(dāng)需要安靜的電源軌時(shí)，它們的輸出上沒有開關(guān)噪聲和紋波通常使 LDO 成為最佳選擇。

對(duì)于 LDO，其輸出上的負(fù)載電流與其輸入上出現(xiàn)的負(fù)載電流相同。LDO 輸出上的 1A 負(fù)載瞬態(tài)干擾會(huì)作為 1A 負(fù)載瞬態(tài)反映到其輸入端，因此也會(huì)反映到為 LDO 供電的上游轉(zhuǎn)換器。輸入端的 1A 負(fù)載瞬變會(huì)干擾為 LDO 供電的上游轉(zhuǎn)換器——它還必須響應(yīng)電流的這種變化。這會(huì)在加載負(fù)載時(shí)導(dǎo)致電壓驟降，而在移除負(fù)載時(shí)會(huì)導(dǎo)致過沖。上游轉(zhuǎn)換器輸出上的這種噪聲源很容易成為其輸出中最大的噪聲分量，即使它是一個(gè) DC/DC 轉(zhuǎn)換器。如果 dc/dc 轉(zhuǎn)換器輸出還為其他更敏感的負(fù)載供電，那么它們將暴露于該紋波電壓，并且它們可能會(huì)以降低的性能運(yùn)行。如果將 LDO 替換為 dc/dc 轉(zhuǎn)換器，則 dc/dc 轉(zhuǎn)換器的輸入電流是其輸出電流乘以占空比，D=VOUT/VIN，忽略損耗并在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)取平均值。因此，為該 dc/dc 轉(zhuǎn)換器供電的上游 dc/dc 轉(zhuǎn)換器在其輸出上經(jīng)歷較低的負(fù)載瞬變，并且上游 dc/dc 轉(zhuǎn)換器對(duì)其 VOUT 的干擾較小。因此，LDO 可能比 dc/dc 轉(zhuǎn)換器噪聲更大，但不是在其輸出上，而是在為其供電的上游轉(zhuǎn)換器的輸出上。

LDO 對(duì)低噪聲模擬前端 (AFE) 的熱效應(yīng)

LDO 通常用于為 AFE 提供安靜的電源軌。LDO 中的功耗僅由 Iout(VIN-VOUT) 給出，負(fù)載電流遠(yuǎn)大于 LDO 的靜態(tài)電流。如果負(fù)載電流 (Iout) 很大和/或 VIN-VOUT 差異很大，則耗散功率可能很大。隨著 IC 封裝趨于小型化，LDO 中的溫升可能會(huì)非常顯著，從而導(dǎo)致印刷電路板 (PCB) 上出現(xiàn)熱點(diǎn)。熱量通過 LDO 封裝散熱焊盤連接到的接地層從 LDO 擴(kuò)散到 PCB。AFE 的一個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)是它們的信噪比(S/N 比)。噪聲電壓的一個(gè)分量是 Johnson/Nyquist 噪聲，由 V(rms) = sqrt(4kTBR) 給出，其中 T 是以開爾文為單位的絕對(duì)溫度，B 是帶寬，R 是電阻，k 是玻爾茲曼常數(shù)。將熱 LDO 靠近 AFE 放置也會(huì)使 AFE 的溫度升高，增加噪聲，降低 S/N，對(duì)系統(tǒng)的整體性能有明顯的影響。雖然將 LDO 放置在靠近 AFE 的位置很好，但應(yīng)避免將其放置得太近。對(duì)于擁擠的 PCB，還考慮移除一些銅接地層以防止熱量傳遞到 AFE，但要適度，以免干擾從 AFE 到 LDO 的接地返回電流路徑。

LDO，即低壓降線性穩(wěn)壓器，以其成本低廉、噪音微小和靜態(tài)電流低等顯著優(yōu)點(diǎn)脫穎而出。這類穩(wěn)壓器外接元件簡(jiǎn)單，通常僅需一兩個(gè)旁路電容即可。最新技術(shù)的LDO線性穩(wěn)壓器更是達(dá)到了令人矚目的性能指標(biāo)：輸出噪聲僅為30μV，PSRR高達(dá)60dB，靜態(tài)電流低至6μA，而電壓降更是僅有100mV。這一卓越性能的背后，關(guān)鍵在于其采用P溝道MOSFET作為調(diào)整管，而傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器則多使用PNP晶體管。

P溝道MOSFET作為一種電壓驅(qū)動(dòng)器件，無需電流即可工作，從而顯著降低了器件本身的功耗。相比之下，采用PNP晶體管的電路為防止其進(jìn)入飽和狀態(tài)而降低輸出能力，輸入與輸出間的電壓降需保持在一定水平以上。而P溝道MOSFET的電壓降則主要取決于輸出電流和導(dǎo)通電阻的乘積。得益于MOSFET極小的導(dǎo)通電阻，其上的電壓降保持在一個(gè)非常低的水平。

若輸入電壓與輸出電壓相近，選用LDO穩(wěn)壓器能實(shí)現(xiàn)高效率。例如，在將鋰離子電池電壓降為3V輸出的應(yīng)用中，LDO穩(wěn)壓器便成為首選。盡管電池最后10%的能量未被利用，但LDO穩(wěn)壓器能延長(zhǎng)電池工作時(shí)間，同時(shí)保持低噪音。然而，若輸入電壓與輸出電壓相差甚遠(yuǎn)，則需考慮使用開關(guān)型DCDC。因?yàn)長(zhǎng)DO的輸入電流通常等于輸出電流，過大的壓降會(huì)導(dǎo)致LDO能耗過高，從而降低效率。