LDO穩(wěn)壓器綜合指南：噪聲、折衷方案、應(yīng)用和趨勢

本文介紹 LDO穩(wěn)壓器選型 時幾個不太注意的關(guān)鍵參數(shù)。還針對特殊低噪聲要求，將開關(guān)穩(wěn)壓器和LDO穩(wěn)壓器進行了比較。此外還討論了行業(yè)趨勢，以及介紹需要高性能LDO穩(wěn)壓器的應(yīng)用。

簡介

大多數(shù)電子設(shè)備電源提供的電壓都高于電子設(shè)備的典型工作電壓。例如，計算機的電源通過適配器插入110 V_AC/220 V_AC壁式插座，其消耗的電流小于1A。在各種功率半導(dǎo)體執(zhí)行一系列降壓轉(zhuǎn)換后，計算機的處理器最終可能在低于1 V_DC的電壓下工作，但其峰值電流可能較高。在此類例子中，包含許多電壓范圍從低于1 V到12 V的不同內(nèi)部電壓軌。

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，用于調(diào)節(jié)和控制從較高輸入電壓電源中輸出的較低電壓。雖然LDO穩(wěn)壓器通常出現(xiàn)在電源管理教科書的起始章節(jié)，并且一般都認(rèn)為這是一種非常簡單的器件，但在電路設(shè)計中選擇LDO穩(wěn)壓器時，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(shè)計人員可能對此不甚了解。本文重點討論LDO穩(wěn)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(yīng)用。

噪聲的來源及處理方法

LDO穩(wěn)壓器很少直接從輸入電源轉(zhuǎn)化后連接到其他電路——大多數(shù)情況下，這種使用方式的功率損耗會非常大。相反，設(shè)計人員通常使用AC-DC或DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器。當(dāng)電源（電池或AC）為開關(guān)穩(wěn)壓器供電時，電源本身可能有噪聲，并且可能會引入電纜中或PCB上的輻射以及其他效應(yīng)產(chǎn)生的外部噪聲。更糟糕的是，這種開關(guān)穩(wěn)壓器從來不存在理想的開關(guān)器件，所有開關(guān)事件都會產(chǎn)生尖峰和振鈴，最終會成為內(nèi)部噪聲。開關(guān)穩(wěn)壓器可能遠離負(fù)載放置，沿著其路徑可能會引入額外的外部噪聲。

由于LDO穩(wěn)壓器可提供較好的穩(wěn)壓性能并抑制輸出紋波，或者電路中可能存在多個負(fù)載，需要不同的電壓，所以電路中通常都會添加LDO穩(wěn)壓器，用于降低穩(wěn)壓器輸出電壓并向負(fù)載供電。LDO穩(wěn)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，如果不進行處理，所有這些噪聲都可能傳遞到負(fù)載（圖1）。由于我們無法預(yù)測噪聲的頻譜和幅度，所以噪聲很難仿真，因此它可能會干擾非常敏感的負(fù)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(fù)載電路可能包括：射頻放大器、時鐘和時序IC、SERDES、精密模擬和圖像傳感器，以及醫(yī)療設(shè)備、測試儀器、電信、汽車和數(shù)據(jù)中心中可能存在的此類電路。

圖1.電源中存在噪聲

電路設(shè)計人員采用多種不同方法來降低電源中的噪聲。在穩(wěn)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(shè)計人員在完成最初的原型設(shè)計后，發(fā)現(xiàn)需要添加此類濾波器，就會很棘手。

一種有名的低噪聲設(shè)計方法是使用ADI公司的Silent Switcher?開關(guān)穩(wěn)壓器。該產(chǎn)品系列所采用的降噪技術(shù)，對尺寸和效率都沒有影響，也沒有過多的元件。該系列專有設(shè)計現(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)路來抵消磁場。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(yīng)性能。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(fù)載電流，并提供降壓、升壓或降壓-升壓拓?fù)涔δ?。有關(guān)更多信息，請訪問 Silent Switcher產(chǎn)品頁面。

另一種常用方法是使用低噪聲LDO穩(wěn)壓器。典型框圖如圖2所示。低噪聲LDO穩(wěn)壓器設(shè)計為精密電流基準(zhǔn)，后接高性能電壓緩沖器。此類器件具有以下三個主要特性：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（圖3）。它在特定頻率下以對數(shù)形式表示，并隨不同負(fù)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(xiàn)在輸出端，因此使用具有較高PSRR的LDO穩(wěn)壓器至關(guān)重要。由于高頻PSRR可以通過在LDO穩(wěn)壓器前后添加小型低通濾波器來改善，因此在選擇IC時應(yīng)著重考慮較低頻率下的PSRR。選擇器件時，請記住每20 dB的差異會造成抑制紋波性能好100倍或差100倍。

圖2.典型低噪聲LDO穩(wěn)壓器框圖

圖3.低噪聲LDO穩(wěn)壓器的典型PSRR

下一個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(yīng)用對工作頻譜有相關(guān)規(guī)定；因此，必須控制噪聲才能通過認(rèn)證測試。還有一些傳感器應(yīng)用，其中會檢測和處理某一低頻下的環(huán)境信號。因此，設(shè)計人員應(yīng)檢查目標(biāo)頻率周圍的頻譜噪聲密度曲線。

最后一個重要因素是總輸出噪聲，它是在有限頻率范圍內(nèi)累加的噪聲譜密度的均方根值。對于模數(shù)或數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，LDO穩(wěn)壓器從DC到系統(tǒng)帶寬的所有噪聲都會累加在一起，從而影響系統(tǒng)精度。因此，總輸出噪聲對于此類應(yīng)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高級處理器和其他電路的應(yīng)用，都需要提供包含多個輸出軌的復(fù)雜電源。設(shè)計人員有多種方案可以選擇，例如PMIC（多路輸出、單芯片）IC、多個單路輸出穩(wěn)壓器或多個LDO穩(wěn)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。

從教科書中我們很容易了解到，開關(guān)穩(wěn)壓器通常比LDO穩(wěn)壓器效率更高，而LDO穩(wěn)壓器電路更容易設(shè)計。在現(xiàn)實世界中，情況有點復(fù)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(tǒng)的IC。它總共需要10個電源軌，按照4:2:4的比例分為模擬電源、數(shù)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Silent Switcher穩(wěn)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(wěn)壓器供電，那么系統(tǒng)尺寸和成本會略微較高。另一種方法是使用PMIC和反相穩(wěn)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。例如采用四路輸出PMIC，如 LTM4644、LTC3370、ADP5054 （用于12 V總線），而 LT8330/ADP5073 用于反相穩(wěn)壓器。然后，在除1.2 V V_D之外的所有敏感電壓軌上，每個輸出軌后面都接有低噪聲LDO穩(wěn)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(shè)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(wěn)壓器，并用四個單通道Silent Switcher穩(wěn)壓器替換PMIC和后面的LDO穩(wěn)壓器。

表1匯總列出了低噪聲解決方案選型標(biāo)準(zhǔn)，供設(shè)計人員在設(shè)計時參考。一般而言，當(dāng)輸入源噪聲很大、負(fù)載電流較低、需要超低輸出紋波或需要超低噪聲時，ADI公司建議使用超低噪聲LDO穩(wěn)壓器。

對于5 A+的負(fù)載電流，設(shè)計人員幾乎都會首選低噪聲PMIC或開關(guān)穩(wěn)壓器（盡管LDO穩(wěn)壓器也可以并聯(lián)以支持高電流）。

對于2 A至5 A的負(fù)載電流，設(shè)計人員可酌情選擇 ADP7158/ ADP7159、LT3073、MAX38907 等LDO穩(wěn)壓器或各種Silent Switcher穩(wěn)壓器。

圖5.積分輸出噪聲（10 Hz至100 kHz）；低噪聲LDO穩(wěn)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(yīng)用

ADI公司是低噪聲LDO穩(wěn)壓器市場的領(lǐng)軍企業(yè)。最近收購Linear Technologies和Maxim Integrated后，該系列產(chǎn)品得到進一步加強。ADI公司提供豐富的超低噪聲LDO穩(wěn)壓器產(chǎn)品，該類產(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(shù)百個客戶，以下是一些典型的應(yīng)用示例：

●   由于傳感器信號處理要求超低噪聲，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

●   亞馬遜最暢銷熱像儀制造商之一選擇低噪聲LDO穩(wěn)壓器為其紅外傳感器供電，因為這種穩(wěn)壓器是市場上噪聲很低的解決方案

●   一家汽車一級高級駕駛員輔助系統(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還為該客戶提供符合AEC認(rèn)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(nèi)窺鏡客戶選擇了低噪聲LDO穩(wěn)壓器

●   一家半導(dǎo)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

●   一家游戲耳機客戶選擇低噪聲LDO穩(wěn)壓器為其音頻DAC供電

●   由于要求低紋波，一家打印機客戶選擇了低噪聲LDO穩(wěn)壓器

●   由于要求高PSRR和低紋波特性，一家流量計客戶選擇了低噪聲LDO穩(wěn)壓器

●   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

一般來說，低噪聲電源對大多數(shù)敏感應(yīng)用都至關(guān)重要。設(shè)計人員表示，他們更愿意默認(rèn)選擇低噪聲電源IC，從而在設(shè)計中提供額外的裕量。如果您在設(shè)計中遇到任何干擾問題，也許首先應(yīng)檢查電源部分。

先進LDO穩(wěn)壓器的未來

ADI公司提供各種超低噪聲、超高PSRR LDO穩(wěn)壓器。ADI公司還設(shè)計和銷售數(shù)百種其他LDO穩(wěn)壓器，這些穩(wěn)壓器具有高擊穿電壓、低靜態(tài)電流、自適應(yīng)引腳等不同特性，支持上游DC-DC跟蹤LDO穩(wěn)壓器負(fù)載等。盡管如此，市場仍然需要性能更好、具有更多特性的LDO穩(wěn)壓器。還有客戶要求我們提供噪聲更低、多通道、具有數(shù)字配置能力、瞬態(tài)響應(yīng)更快以及其他各種特性的LDO穩(wěn)壓器。雖然LDO穩(wěn)壓器看起來仍是一種簡單的器件，但它永遠不會消失，而且會像所有其他半導(dǎo)體器件一樣不斷演進。如有任何疑問或需要支持，請隨時咨詢當(dāng)?shù)氐腁DI銷售辦事處。如需了解具有附加功能的LDO穩(wěn)壓器信息，請參閱 LDO線性穩(wěn)壓器 參數(shù)搜索 和 LDO Plus產(chǎn)品系列。