使用低噪聲降壓轉(zhuǎn)換器最大限度地減少噪聲和紋波

對(duì)于為測(cè)試和測(cè)量以及無線電應(yīng)用（例如時(shí)鐘、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器或放大器）的噪聲敏感系統(tǒng)設(shè)計(jì)電源的工程師而言，最大限度地降低噪聲是一項(xiàng)常見挑戰(zhàn)。盡管“噪聲”一詞對(duì)不同的人可能有不同的含義，但在本文中，我將噪聲定義為電路中電阻器和晶體管產(chǎn)生的低頻熱噪聲。您可以通過以微伏/平方根赫茲為單位的頻譜噪聲密度曲線識(shí)別噪聲，并以均方根微伏為單位作為積分輸出噪聲，通常在 100 Hz 到 100 kHz 的特定范圍內(nèi)。電源中的噪聲會(huì)降低模數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能并引入時(shí)鐘抖動(dòng)。

為時(shí)鐘、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器或放大器供電的傳統(tǒng)設(shè)置是使用 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，然后是低壓差穩(wěn)壓器 (LDO)，例如TPS7A52、TPS7A53或TPS7A54，然后是鐵氧體磁珠濾波器，如圖所示在圖 1 中。這種設(shè)計(jì)方法最大限度地減少了電源的噪聲和紋波，并且適用于低于大約 2 A 的負(fù)載電流。但是，隨著負(fù)載的增加，LDO 中的功率損耗會(huì)導(dǎo)致效率和熱管理方面的問題；例如，在典型的模擬前端應(yīng)用中，后穩(wěn)壓 LDO 會(huì)增加 1.5 W 的功率損耗。你們中的那些人是否在您的設(shè)計(jì)中尋找低噪聲和低效率的選擇？不完全的。

圖 1：使用 DC/DC 轉(zhuǎn)換器、LDO 和鐵氧體磁珠濾波器的典型低噪聲架構(gòu)

使用低噪聲降壓轉(zhuǎn)換器代替 LDO

控制功率損耗的一種方法是通過 LDO 最小化壓降。但是，這種方法會(huì)對(duì)噪聲性能產(chǎn)生負(fù)面影響。此外，更高電流的 LDO 通常更大，這會(huì)增加設(shè)計(jì)占用空間和成本。在控制功率損耗的同時(shí)確保低噪聲的更有效方法是從設(shè)計(jì)中完全消除 LDO，并使用低噪聲 DC/DC 降壓轉(zhuǎn)換器，如圖 2 所示。

圖 2：使用不帶 LDO 的低噪聲降壓轉(zhuǎn)換器

我知道您在想什么：移除降低噪聲的主要設(shè)備如何仍然提供低噪聲電源？許多 LDO 在帶隙基準(zhǔn)上都有一個(gè)低通濾波器，以最大限度地減少進(jìn)入誤差放大器的噪聲。TPS62912 和 TPS62913 系列低噪聲降壓轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了用于連接電容器的降噪/軟啟動(dòng)引腳，使用集成的 R f和外部連接的 C NR/SS形成低通電阻-電容濾波器，如圖所示在圖 3 中。這種實(shí)現(xiàn)本質(zhì)上模仿了 LDO 中帶隙低通濾波器的行為。 

圖 3：帶帶隙噪聲過濾的低噪聲降壓框圖

輸出電壓紋波呢？

每個(gè) DC/DC 轉(zhuǎn)換器都會(huì)在其開關(guān)頻率下產(chǎn)生輸出電壓紋波。精密系統(tǒng)中的噪聲敏感模擬軌需要最低的電源電壓紋波，以最大限度地減少頻譜中的頻率雜散，這通常取決于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率、電感值、輸出電容、等效串聯(lián)電阻和等效串聯(lián)電感。為了減輕這些組件的紋波，工程師通常使用 LDO 和/或小型鐵氧體磁珠和電容器來創(chuàng)建 pi 濾波器，以最大限度地減少負(fù)載紋波。低紋波降壓轉(zhuǎn)換器，例如TPS62912和TPS62913通過集成鐵氧體磁珠補(bǔ)償和遙感反饋來利用此鐵氧體磁珠濾波器。將鐵氧體磁珠的電感與額外的輸出電容器結(jié)合使用可消除輸出電壓紋波中的高頻分量，并將紋波降低約 30 dB，如圖 4 所示。 

圖 4：鐵氧體磁珠濾波器之前的輸出電壓紋波 (a)；在鐵氧體磁珠濾波器之后 (b)

結(jié)論

通過集成減輕系統(tǒng)噪聲和紋波的功能，低噪聲降壓轉(zhuǎn)換器可以幫助工程師實(shí)現(xiàn)低噪聲電源解決方案，而無需 LDO。當(dāng)然，不同應(yīng)用所需的噪聲水平會(huì)有所不同，不同輸出電壓的性能也會(huì)有所不同，因此只有您才能確定適合您設(shè)計(jì)的最佳低噪聲架構(gòu)。但是，如果您希望簡(jiǎn)化對(duì)噪聲敏感的模擬電源的設(shè)計(jì)、降低功率損耗并縮小整體設(shè)計(jì)占用空間，請(qǐng)考慮使用低噪聲降壓轉(zhuǎn)換器。