理解線性穩(wěn)壓器噪聲的混合電源

在許多應(yīng)用中，工程師團(tuán)隊(duì)一個(gè)開(kāi)關(guān)DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器(“開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器”)與低輟學(xué)線性穩(wěn)壓器(LDO)。這樣的混合供電是一種很好的方式，以最大限度地延長(zhǎng)電池壽命，同時(shí)保持適用于敏感的模擬電路電池供電產(chǎn)品的無(wú)噪聲電源。

但是，“無(wú)噪聲”只是相對(duì)而言的，因?yàn)樵俸玫牡蛪航捣€(wěn)壓器產(chǎn)生一些噪音。許多工程師認(rèn)為，噪聲的LDO的輸出僅僅是它的電源抑制比(PSRR)的函數(shù)。當(dāng)在一系列具有開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器中使用，PSRR確實(shí)是如何在LDO涉及在開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的輸出上的電壓和電流波動(dòng)的良好量度 - PSRR但不應(yīng)該在其上的LDO被選擇的唯一標(biāo)準(zhǔn)。

該LDO具有其內(nèi)部元件產(chǎn)生的內(nèi)部噪聲的幾個(gè)來(lái)源，更糟糕的是，一些本是頻率的函數(shù)。它是PSRR和內(nèi)部噪聲的這種組合，其確定LDO的輸出的穩(wěn)定性。

本文介紹了如何結(jié)合的LDO可以為連接，無(wú)線便攜產(chǎn)品很好的解決的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，進(jìn)而導(dǎo)致在解釋為什么該工程師分析LDO的數(shù)據(jù)表，以確保它是非常重要的，它從電力供應(yīng)仍然整體噪音內(nèi)的最終產(chǎn)品規(guī)范。

LDO和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器相比，

電池供電的便攜式設(shè)備需要的電壓調(diào)節(jié)，以確保兩個(gè)電池壽命最大化和敏感的硅喂以精確和不變的電壓它要求。此外，規(guī)定確保了電源可以對(duì)應(yīng)于寬的負(fù)載范圍內(nèi)，而不過(guò)度受電池。

電壓調(diào)節(jié)歸結(jié)為兩個(gè)選擇，一個(gè)LDO或一個(gè)開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器。低壓降穩(wěn)壓器是相對(duì)便宜，小巧，并提供“干凈”電源(但不是完全純粹的，因?yàn)槲覀儗⒃谙旅嬗懻?優(yōu)雅的設(shè)備。任何一個(gè)合格的電子工程師可以設(shè)計(jì)使用商用模塊化LDO，只是三個(gè)外部無(wú)源元件的電源。此外，還有一個(gè)巨大的范圍可供選擇高度可靠的LDO。凌力爾特公司令人尊敬的LT1084，例如，開(kāi)發(fā)二十年前，今天仍然是可用的。

線性穩(wěn)壓器的缺點(diǎn)是缺乏在寬電壓范圍內(nèi)的效率，并限制到降壓(或“降壓”)的配置。

LDO的基本前提是利用一個(gè)反饋回路，包括一個(gè)基準(zhǔn)電壓，誤差放大器，一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)以線性模式操作時(shí)，和一個(gè)電阻分壓器。而電阻分壓器設(shè)定的輸出電壓時(shí)，F(xiàn)ET使LDO無(wú)論負(fù)載，以提供一個(gè)恒定的輸出電壓。誤差電路確保輸出被維持在所期望的電壓。圖1示出的LDO的簡(jiǎn)化示意圖。

德州儀器LDO示意圖像

圖1：一個(gè)LDO的基本要素。 (德州儀器提供)

LDO的效率是正比于輸入和輸出電壓之間的差異;的差以下時(shí)，更高效的設(shè)備。功率橫跨FET和電阻分壓器和跨在LDO大的電壓差消散可導(dǎo)致熱量積聚，其​​可呈現(xiàn)在緊湊便攜式一個(gè)挑戰(zhàn)。

在達(dá)到某一程度時(shí)，在電池電壓下降到一定水平，從而使LDO不再能夠維持所希望的輸出和“滴出”。這一級(jí)被稱(chēng)為釋放電壓。更高規(guī)格的設(shè)備會(huì)容忍更低的壓差電壓低于昂貴的設(shè)備。例如，凌力爾特的LT3070 LDO - 這從0.95至3 V輸入產(chǎn)生0.8〜1.8 V輸出高達(dá)5 A - 擁有的只是85 mV的壓差電壓。然而，即使是最好的LDO將可能退出而一些容量仍停留在細(xì)胞內(nèi)，減少潛在的電池壽命。

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器在20世紀(jì)60年代被引入了在寬電壓和負(fù)載范圍的高效率的主要優(yōu)勢(shì)。效率在低負(fù)載是早期的設(shè)備問(wèn)題，但已基本得到解決與“脈沖跳躍”技術(shù)(見(jiàn)技術(shù)專(zhuān)區(qū)文章“的脈沖頻率調(diào)制的DC / DC開(kāi)關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢(shì)”)。

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器使用一個(gè)或兩個(gè)FET，但不像在LDO，這些操作 - 作為產(chǎn)品說(shuō)明建議 - 在切換模式。當(dāng)FET是上并導(dǎo)通電流，在其電源通路上的電壓降最小。當(dāng)FET關(guān)閉和阻塞高壓，幾乎沒(méi)有電流通過(guò)它的電源通路。這些特性保證很少的電力消耗在穩(wěn)壓器提高工作效率。一個(gè)現(xiàn)代的12 VIN，3.3 VOUT同步 - 開(kāi)關(guān)降壓穩(wěn)壓器，如國(guó)際整流器公司(IR)IR3898一般可以達(dá)到90%的效率(比從LDO在相同條件下工作27.5%)。

與低壓降穩(wěn)壓器，還有種類(lèi)繁多的開(kāi)關(guān)電源可從主要供應(yīng)商如飛思卡爾，美信，安森美半導(dǎo)體和德州儀器(TI)。

的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的缺點(diǎn)是尺寸(雖然功率密度優(yōu)于的LDO)，成本，設(shè)計(jì)復(fù)雜，和噪聲。最后兩個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)都相關(guān)的，因?yàn)榇蟛糠值脑O(shè)計(jì)的復(fù)雜性有關(guān)，電感器的選擇和要求確保波紋的峰 - 峰值的輸入和輸出濾波電路的設(shè)計(jì)受到限制。電感器(S)等無(wú)源器件的正確選擇，可以限制輸出電壓和電流紋波，但一些電磁干擾(EMI)是不可避免的(見(jiàn)技術(shù)專(zhuān)區(qū)的文章“電容的選擇是關(guān)鍵，以良好的電壓調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)”)。

該設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是由現(xiàn)代偏好高頻開(kāi)關(guān)電源而加劇。通過(guò)在更高的頻率下操作，電源可以利用較小的電感器(多個(gè))減少其尺寸和成本。然而，高頻率操作，使電磁干擾問(wèn)題更加難以解決(見(jiàn)技術(shù)專(zhuān)區(qū)的文章“設(shè)計(jì)折衷選擇高頻開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器時(shí)”)。

由開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的EMI可以打亂其他成分，特別是在便攜式產(chǎn)品，其中設(shè)備被密集封裝和印刷電路板(PCB)跡線短。更糟糕的是 - 銘記有設(shè)計(jì)工程師熱心于將RF芯片到他們最新的產(chǎn)品與無(wú)線連接賦予它的增長(zhǎng)的隊(duì)列----流浪EMI增加設(shè)計(jì)穩(wěn)健RF電路的難度。

第三個(gè)選項(xiàng)

而不接受通過(guò)選擇一個(gè)LDO或開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器引入的妥協(xié)，許多進(jìn)取工程師已經(jīng)由一個(gè)開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器的輸出直接鏈接到LDO的輸入創(chuàng)建混合電源拓?fù)洹?/p>

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器接受寬范圍的輸入電壓，并有效地調(diào)節(jié)到一個(gè)更高，更低，或倒置的供應(yīng)。另外，如果開(kāi)關(guān)裝置的輸出(即，輸入到LDO)被設(shè)定為使得它僅稍微大于所述電源的要求輸出，在LDO可以連續(xù)在其最有效的范圍內(nèi)工作。

這種混合供給背后的關(guān)鍵前提是在LDO過(guò)濾開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的紋波影響調(diào)節(jié)的輸出，從而消除潛在的EMI問(wèn)題并避免了要求花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)煉PCB設(shè)計(jì)和計(jì)算所述電感和電容值的輸出濾波電路(如將是這種情況，如果開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器被用在其自身)。其他優(yōu)點(diǎn)還包括電源，具有改善了穩(wěn)定性，精確度更高，更快的瞬態(tài)響應(yīng)，并降低了輸出阻抗(見(jiàn)技術(shù)專(zhuān)區(qū)的文章“混合電源交付無(wú)噪聲電壓的敏感電路”)。

不幸的是，事情并不僅僅是選擇兩個(gè)監(jiān)管機(jī)構(gòu)和連接在一起稍微復(fù)雜一點(diǎn)。

控制噪音

的LDO的平滑開(kāi)關(guān)電源的電壓和電流紋波能力的衡量標(biāo)準(zhǔn)是PSRR。 PSRR量化LDO的過(guò)濾器從它的輸入如何波紋(在這種情況下，開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器的輸出)在很寬的頻率范圍，并表示為分貝(dB)。 (工程師應(yīng)該注意到，根據(jù)脈動(dòng)頻率的PSRR響應(yīng)而變化。以確保該開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的工作頻率相匹配是很重要的，或至少是接近，LDO的最好的PSRR頻率響應(yīng)。)

許多工程師的結(jié)論是，所提供的PSRR是好的，那么一切都會(huì)好起來(lái)的混合電源。這不是這種情況，因?yàn)椋缟纤?，包括的LDO電壓基準(zhǔn)，場(chǎng)效應(yīng)晶體管，電阻器，和其它外部電路會(huì)引入額外的(和不顯著)噪聲獨(dú)立地PSRR的(見(jiàn)圖2)。具有良好的PSRR，但高的自感應(yīng)噪聲的LDO將是從混合供給產(chǎn)生一個(gè)干凈的電壓一個(gè)糟糕的選擇。因此，重要的是對(duì)入圍的設(shè)備的數(shù)據(jù)表的工程師同時(shí)檢查PSRR和內(nèi)部噪聲參數(shù)。

德州儀器噪聲線性穩(wěn)壓器圖片

圖2：從線性穩(wěn)壓器的噪聲包括外部噪聲，內(nèi)部噪聲，并且拒絕后遺留下來(lái)的。 (德州儀器提供)[!--empirenews.page--]

圖1中的簡(jiǎn)化框圖顯示了在一個(gè)LDO生成主噪聲，元件具體地，溫度補(bǔ)償?shù)碾妷夯鶞?zhǔn)(“帶隙”)，該電阻分壓器，運(yùn)算放大器的輸入級(jí)，并且在較小的程度時(shí)，F(xiàn)ET。

帶隙是噪音的主要來(lái)源。減小此噪聲的一種方法是減小LDO內(nèi)的誤差放大器的帶寬。這確實(shí)具有降低器件的瞬態(tài)響應(yīng)的缺點(diǎn)。包括一個(gè)大的內(nèi)部電阻和外部電容器 - - 可替代地，該噪聲可以通過(guò)增加一個(gè)大的低通濾波器(LPF)來(lái)消除在帶隙輸出，以使​​小的噪聲使得它到增益級(jí)(這同樣過(guò)濾器還改善了PSRR)。

電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)是另一個(gè)貢獻(xiàn)者LDO的總噪聲。這個(gè)噪聲是在熱性質(zhì)，從而增加隨著溫度的升高。電阻分壓器被連接到LDO的差動(dòng)放大器的輸入，由成比例的量的調(diào)節(jié)器的閉環(huán)增益放大噪聲。

差分放大器本身構(gòu)成噪聲的LDO產(chǎn)生最終顯著源。放大器典型地設(shè)計(jì)成使輸入級(jí)具有大量增益。因此，從在位于輸入級(jí)之后的信號(hào)路徑裝置未來(lái)任何噪聲由輸入級(jí)的增益衰減，在介回輸入。還有就是內(nèi)部電路可以做，以減少這種來(lái)源的噪音之外什么都沒(méi)有。

所有的主噪聲源(帶隙，電阻分壓器，和運(yùn)放輸入級(jí))被連接到差分放大器的輸入端，因此不被任何內(nèi)部增益衰減。出人意料的，電源旁路FET，通常占至少一半的LDO的總裸片面積，不出力，因?yàn)樗狈υ鲆娴脑胍簟?/p>

用于從一個(gè)給定的LDO估計(jì)輸出噪聲的過(guò)程是首先參閱每個(gè)噪聲貢獻(xiàn)者運(yùn)算放大器輸入。例如，要查找從通FET的工程師首先需要除以它和運(yùn)算放大器輸入端之間存在的開(kāi)環(huán)增益的噪聲貢獻(xiàn)的噪音。該增益通常是相當(dāng)大的，確保從通FET的噪聲貢獻(xiàn)通常是可以忽略不計(jì)。

許多工程師選擇不從頭設(shè)計(jì)一個(gè)LDO，而是寧愿從廣泛的可用成熟的模塊化解決方案中進(jìn)行選擇。盡管如此，它仍然是非常重要的，以確定模塊化LDO將多少噪聲添加到混合電源。

盡管LDO的制造商往往傾向于兜售PSRR為抑制噪聲的關(guān)鍵性能數(shù)據(jù)，通過(guò)仔細(xì)閱讀數(shù)據(jù)表的工程師將會(huì)發(fā)現(xiàn)通過(guò)設(shè)備本身有多大的噪音產(chǎn)生過(guò)相關(guān)的頻率信息的小字范圍內(nèi)。

此信息通常表示兩種方式。第一是總(集成)輸出噪聲(在μVRMS)，這是頻譜噪聲密度集成在一個(gè)有限的頻率范圍內(nèi)的RMS值。第二中示出的頻譜噪聲密度曲線(以μV/√Hz的)，這是噪聲密度與頻率的曲線的形式。圖3顯示了來(lái)自德州儀器的TPS717xx系列線性穩(wěn)壓器的數(shù)據(jù)表信息。的TPS71733，例如，提供了從高達(dá)6.5 V的輸入的3.3 V輸出150毫安，并且具有30μVRMS噪聲等級(jí)在100赫茲至100千赫茲的范圍。

德州儀器的TPS717xx LDO頻譜噪聲密度曲線的圖像

圖3：PSRR，從數(shù)據(jù)表TI的TPS717xx LDO總輸出噪聲和頻譜噪聲密度曲線。

由于單個(gè)數(shù)字指定的總輸出噪聲電壓，它是用于比較目的非常有用的。然而，當(dāng)不同的LDO噪聲規(guī)范進(jìn)行比較時(shí)，重要的是，該比較是在相同的頻率范圍，并在同一輸出電壓和電流值。

低噪聲LDO

有一些在市場(chǎng)上非常低噪聲LDO。例如，凌力爾特的LT3090 - 它提供了一個(gè)0〜32 V電壓高達(dá)600 mA的輸出從1.5到36 V電源 - 有18μVRMS(見(jiàn)圖4)的噪聲水平。

凌力爾特的圖的低噪聲LDO LT3090

圖4：凌力爾特的低噪聲LDO LT3090。

Maxim的MAX8510可以從可達(dá)6 V的裝置的噪聲等級(jí)為11μVRMS在100赫茲至100千赫茲范圍的輸入電壓產(chǎn)生高達(dá)10的電壓輸出，范圍從1.5到4.5伏，在高達(dá)120毫安。

就其本身而言，飛​​兆半導(dǎo)體提供FAN25800，它被指定為8μVRMS噪音等級(jí)在10 Hz到100 kHz的范圍內(nèi)。該LDO工作在高達(dá)5.5 V的輸入，并提供2.8 V輸出，高達(dá)250 mA的電流。

兩者的PSRR和LDO噪聲是重要的指標(biāo)選擇一個(gè)LDO的混合動(dòng)力車(chē)-電源時(shí)也可以考慮。當(dāng)比較裝置，它選擇具有一個(gè)良好的PSRR的產(chǎn)物，以及考慮的頻率范圍通過(guò)其相關(guān)聯(lián)的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器將操作，以確保它與LDO的最佳PSRR一致是重要的。然而，同樣重要的是要考慮有多少噪音LDO本身產(chǎn)生。有在選擇該平滑的電壓和電流波動(dòng)從開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，如果輸出供應(yīng)由LDO自身內(nèi)部產(chǎn)生的噪音，那么損壞的設(shè)備的小點(diǎn)。