如何利用電壓輸入到輸出控制自動優(yōu)化LDO穩(wěn)壓器的效率

引言

人們在日常生活的許多領(lǐng)域都依賴精密電子設(shè)備。這些設(shè)備可以提供精密醫(yī)療診斷，對最終產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量控制，準(zhǔn)確測量水和空氣中的化學(xué)物質(zhì)濃度，等等。測試設(shè)備和儀器儀表中內(nèi)置的精密硬件由對噪聲敏感的器件組成，在設(shè)計和測試中需要復(fù)雜的規(guī)劃以降低噪聲。降低系統(tǒng)噪聲的一個關(guān)鍵方面是電源軌。電源軌必須能夠提供噪聲和紋波極小的電壓，以便在噪聲敏感型應(yīng)用中提供優(yōu)異性能。相反，為信號鏈提供高噪聲電源軌會導(dǎo)致系統(tǒng)性能不佳。LDO穩(wěn)壓器是一種能提供低噪聲電源的器件。

LDO穩(wěn)壓器通過簡單的電阻分壓器設(shè)置或單電阻設(shè)置可靠地降低并調(diào)節(jié)直流電壓。LDO穩(wěn)壓器提供干凈的低噪聲輸出，但與另一種穩(wěn)壓器件，即開關(guān)模式電源(SMPS)相比，存在效率較低的缺點?，F(xiàn)代SMPS器件的效率超過90%。然而，由于電感上電流的快速切換，開關(guān)轉(zhuǎn)換器會產(chǎn)生類似于三角波形的電流，導(dǎo)致其輸出具有高噪聲。電感的電壓與流經(jīng)其中的電流的差分電流成正比。圖1顯示了電流波形的示例。

圖1 降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電流

開關(guān)轉(zhuǎn)換器還會產(chǎn)生頻率為其開關(guān)頻率的電壓雜散和更高頻諧波。這可以在任何開關(guān)轉(zhuǎn)換器的頻譜噪聲內(nèi)容中顯示出來。電壓噪聲圖像如圖2所示。

圖2 開關(guān)轉(zhuǎn)換器的電壓噪聲

對開關(guān)轉(zhuǎn)換器的輸出進(jìn)行濾波可降低噪聲。然而，這需要大容量電容，會引入等效串聯(lián)電阻(ESR)之類的寄生效應(yīng)。ESR會增加電源的功耗，并且可能導(dǎo)致效率降低。除了開關(guān)噪聲紋波之外，開關(guān)轉(zhuǎn)換器還容易受到寬帶噪聲、高頻尖峰和振鈴的影響。

將開關(guān)轉(zhuǎn)換器與后置調(diào)節(jié)LDO穩(wěn)壓器相結(jié)合可減輕噪聲。在開關(guān)轉(zhuǎn)換器下游使用LDO穩(wěn)壓器，既能獲得開關(guān)轉(zhuǎn)換器的效率，又能獲得LDO穩(wěn)壓器固有的電源抑制比(PSRR)，使高噪聲輸出得以凈化。然而，受LDO穩(wěn)壓器上的壓降影響，這種方案仍然存在效率低下的問題。

ADI公司專門設(shè)計的VIOC技術(shù)通過降低下游LDO穩(wěn)壓器的壓降來滿足低噪聲和高效率這兩個相互矛盾的要求。VIOC是一種主動控制系統(tǒng)，可提供來自LDO穩(wěn)壓器的反饋以調(diào)節(jié)開關(guān)轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。采用VIOC的LDO穩(wěn)壓器可自動優(yōu)化開關(guān)轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。本文將討論VIOC功能的技術(shù)細(xì)節(jié)，提供效率改進(jìn)的實驗證據(jù)，并考慮VIOC用于可變下游電源軌的其他可能方式。

用于后置調(diào)節(jié)的LDO穩(wěn)壓器

圖3 處于后置調(diào)節(jié)狀態(tài)的LDO穩(wěn)壓器的框圖

在圖3中，開關(guān)轉(zhuǎn)換器降低輸入電壓，為LDO穩(wěn)壓器供電。此輸出通常包含紋波，如圖4所示。

圖4 開關(guān)轉(zhuǎn)換器的輸出電壓

LDO穩(wěn)壓器降低開關(guān)轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，并將其調(diào)節(jié)至編程設(shè)定的輸出電壓，從而產(chǎn)生精密信號鏈所需的干凈電壓信號。PSRR是決定LDO穩(wěn)壓器降噪效果的指標(biāo)。PSRR可以使用公式計算：PSRR = |20 log(?V_INPUT)/(?V_OUTPUT )|；此測量通常在10 Hz至1 MHz的寬頻譜上進(jìn)行。具有高PSRR（例如1 MHz時80 dB）的LDO穩(wěn)壓器可以非常好地衰減開關(guān)噪聲，因而是凈化失真輸出電壓的理想器件。LDO穩(wěn)壓器輸出軌的示例如圖5所示。

圖5 LDO穩(wěn)壓器的輸出電壓

雖然后置調(diào)節(jié)LDO穩(wěn)壓器可以有效地降低電源軌的噪聲，但該解決方案效率低下。在圖3所示的系統(tǒng)中，開關(guān)轉(zhuǎn)換器的效率為90%，而LDO穩(wěn)壓器的效率為66%，整體效率約為59%。

無VIOC的后置調(diào)節(jié)LDO穩(wěn)壓器的設(shè)計挑戰(zhàn)

后置調(diào)節(jié)LDO穩(wěn)壓器面臨的挑戰(zhàn)是設(shè)計一個效率非常高的系統(tǒng)。圖3中的低效率表明LDO穩(wěn)壓器存在相當(dāng)大的功耗，這是較大的輸入到輸出壓差和負(fù)載電流導(dǎo)致的。公式1顯示了如何計算LDO穩(wěn)壓器的功耗。

使用ADI公司的具有VIOC功能的超低噪聲LDO穩(wěn)壓器，并將其與開關(guān)轉(zhuǎn)換器搭配，可提高系統(tǒng)效率。VIOC引腳會使開關(guān)轉(zhuǎn)換器將其輸出電壓調(diào)節(jié)至理想水平，通過降低LDO穩(wěn)壓器上的壓降來提高其效率。

VIOC工作原理

圖6演示了具有VIOC功能的LDO穩(wěn)壓器LT3041與上游開關(guān)轉(zhuǎn)換器的連接。VIOC和開關(guān)轉(zhuǎn)換器反饋(FB)引腳之間的連接確保LDO穩(wěn)壓器上的電壓差將被設(shè)置為開關(guān)轉(zhuǎn)換器FB引腳的穩(wěn)壓電壓。通過選擇具有低FB電壓（通常小于1 V）的開關(guān)轉(zhuǎn)換器，可以充分地減小LDO穩(wěn)壓器上的電壓差，從而提高整體效率。在一個例子中，LT8648S用作上游轉(zhuǎn)換器，其FB引腳電壓為600 mV，LDO穩(wěn)壓器上將保持恒定的600 mV壓降。通過此連接，VIOC引腳將影響開關(guān)轉(zhuǎn)換器的輸出，產(chǎn)生滿足公式2的輸入電壓信號。

通過設(shè)置LDO穩(wěn)壓器上的電壓差，VIOC降低了開關(guān)轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，使LT3041成為可靠的省電工具。

圖6 典型應(yīng)用電路

VIOC的優(yōu)勢

圖7顯示的后置調(diào)節(jié)LDO穩(wěn)壓器解決方案用于通過實驗證明VIOC影響。LT3041的評估套件位于ADI Silent Switcher^? 2器件LT8648S的評估套件下游。該開關(guān)轉(zhuǎn)換器的FB引腳穩(wěn)壓值約為600 mV，當(dāng)FB引腳和VIOC引腳相連接時，LDO穩(wěn)壓器上的電壓差約為600 mV。LT8648S評估套件產(chǎn)生5 V輸出電壓，LT3041評估套件輸出3.3 V。以下部分比較了該系統(tǒng)不使用VIOC和使用VIOC時的性能。每個實驗都使用來自電源的12 V DC為LT8648S供電。實驗結(jié)果如表1和表2所示。

圖7 評估板連接

在第一個實驗中，VIOC引腳未連接，開關(guān)轉(zhuǎn)換器將電壓調(diào)節(jié)至接近5 V來為LDO穩(wěn)壓器供電。表1顯示LDO穩(wěn)壓器的效率約為67%，這與圖3中預(yù)期的相同，因為LDO穩(wěn)壓器的主要功能是對開關(guān)轉(zhuǎn)換器的輸出進(jìn)行后置調(diào)節(jié)。雖然該解決方案可產(chǎn)生干凈的電源軌，但效率低下。如前所述，效率低下的原因是LDO穩(wěn)壓器因電壓差而消耗大量功率。

表1 LT3041后置調(diào)節(jié)LT8648S，不使用VIOC

在第二個實驗中，LT8648S和LT3041之間的VIOC連接導(dǎo)致開關(guān)電源將其輸出電壓調(diào)節(jié)至V_OUT(LDO) + V_VIOC。當(dāng)VIOC引腳連接到反饋引腳時，V_VIOC = V_FB = 600 mV。LT3041的V_OUT為3.3 V，因此LDO穩(wěn)壓器的輸入電壓結(jié)果約為3.9 V。表2顯示了所產(chǎn)生的LDO穩(wěn)壓器輸入電壓。

表2 LT3041后置調(diào)節(jié)LT8648S，使用VIOC

具有VIOC功能的LT3041成功降低了LDO穩(wěn)壓器上的電壓差，從而提高了效率。VIOC引腳不是傳遞來自開關(guān)轉(zhuǎn)換器的5 V信號，而是強(qiáng)制開關(guān)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生約3.9 V的電壓。通過VIOC連接，LDO穩(wěn)壓器壓差降至約600 mV，而其他實驗則有1.7 V的電壓差。LDO穩(wěn)壓器的輸入電壓降低后，效率達(dá)到約84%（如表2所示），與之前的實驗相比，效率提高了17%，功耗降低了2.7倍。盡管這兩個系統(tǒng)輸出相同的功率，但功耗卻有很大差異。對于任何給定負(fù)載，使用VIOC的LDO穩(wěn)壓器的性能將優(yōu)于不使用VIOC的LDO穩(wěn)壓器。借助VIOC，系統(tǒng)能夠為LDO穩(wěn)壓器提供理想的電壓。

VIOC和開關(guān)轉(zhuǎn)換器反饋引腳之間的連接并不能保證實現(xiàn)VIOC的省電優(yōu)勢。VIOC可以降低但不能提高開關(guān)轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。遵循不等式V_{OUT(SWITCHER)} > V_OUT(LDO) + V_VIOC可確保VIOC帶來省電的好處。如果違反上述不等式，則LT3041仍會調(diào)節(jié)其輸出電壓，但不會優(yōu)化開關(guān)轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。

以下實驗是系統(tǒng)突破其臨界值以確保省電的示例。在此測試中，LDO穩(wěn)壓器的輸出電壓發(fā)生變化，產(chǎn)生標(biāo)稱4.32 V輸出。從表3可以看出，V_OUT(LDO) + V_VIOC尚未超過開關(guān)轉(zhuǎn)換器的5 V穩(wěn)壓輸出電壓，這使得VIOC能夠進(jìn)行省電方面的優(yōu)化。請注意，開關(guān)穩(wěn)壓器提供的輸入電壓滿足V_IN(LDO) = V_OUT(LDO) + V_VIOC。此外，LDO穩(wěn)壓器通過VIOC保持約600 mV的壓降。如果不使用VIOC，LDO穩(wěn)壓器將傳遞約5 V的輸入電壓。表4顯示了不使用VIOC的系統(tǒng)，開關(guān)轉(zhuǎn)換器輸出為5 V。請注意，LDO穩(wěn)壓器的輸入電壓比表3中的值更接近5 V。雖然采用VIOC的LDO穩(wěn)壓器的效率略有提高，但表3和表4中的數(shù)據(jù)表明，VIOC會降低功耗，即使幅度較小。

表3 LT3041后置調(diào)節(jié)LT8648S，使用VIOC

表4 不使用VIOC的輸入電壓

一些具有可變負(fù)載電壓的應(yīng)用會導(dǎo)致V_{OUT_LDO} + V_VIOC超過開關(guān)穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓輸出電壓?？紤]具有5 V穩(wěn)壓輸出和600 mV FB電壓的LT8648S穩(wěn)壓器，其與LT3041搭配，但后者現(xiàn)在輸出5 V電壓。當(dāng)使用VIOC時，基于公式V_IN(LDO) = V_OUT(LDO) + V_VIOC，這些器件的組合導(dǎo)致LDO穩(wěn)壓器的輸入電壓為5.6 V。此值遠(yuǎn)大于開關(guān)穩(wěn)壓器的5 V輸出。這種情況會使LDO穩(wěn)壓器的省電功能無效。

針對可變負(fù)載的省電

在負(fù)載可變的情況下，可以使用三個電阻對VIOC進(jìn)行編程，如圖8所示。這種配置可以通過設(shè)置電阻R1、R2和R3來對輸入到輸出壓差進(jìn)行編程。要正確調(diào)整這三個電阻的大小，請參閱LT3041數(shù)據(jù)手冊。雖然這種方法在省電方面不如將VIOC直接連接到開關(guān)轉(zhuǎn)換器的反饋引腳那么有效，但對于具有可變負(fù)載的應(yīng)用來說仍然可靠。通過將電壓差編程為設(shè)定電壓，盡管輸出電壓可變，用戶仍能夠利用LDO穩(wěn)壓器上的恒定壓降。圖8是帶有和不帶有這些電阻的可變負(fù)載場景的示例。

考慮圖9中的框圖，它表示一個LDO穩(wěn)壓器，不使用VIOC對開關(guān)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行后置調(diào)節(jié)。開關(guān)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生6.5 V輸出，LDO穩(wěn)壓器產(chǎn)生5 V輸出。

圖9 無VIOC的5 V LDO穩(wěn)壓器輸出

該系統(tǒng)導(dǎo)致LDO穩(wěn)壓器上的壓降為1.5 V，功率損耗為1.5 W。由于負(fù)載可變，LDO穩(wěn)壓器的輸出電壓會發(fā)生變化。在此示例中，LDO穩(wěn)壓器的輸出電壓降至3.3 V，如圖10所示。

圖10 不使用VIOC的3.3 V輸出

新的3.3 V負(fù)載導(dǎo)致LDO穩(wěn)壓器上的壓降為3.2 V，功率損耗為3.2 W，LDO穩(wěn)壓器效率從79.9%降至50.8%。

相比之下，設(shè)置圖8所示的電阻可以消除可變負(fù)載下功耗和效率的波動?？紤]先前的場景，如圖10所示，但LDO穩(wěn)壓器使用VIOC，三個電阻將電壓差設(shè)置為1.5 V。開關(guān)轉(zhuǎn)換器將輸出V_{OUT(SWITCHER)} = V_{DIFFERNTIAL(LDO)} + V_OUT(LDO)。當(dāng)可變負(fù)載導(dǎo)致輸出電壓從5 V降至3.3 V時，開關(guān)轉(zhuǎn)換器的輸出電壓降至4.8 V，而不是其編程設(shè)定的6.5 V輸出，如圖11所示。

圖11 使用VIOC的3.3 V輸出

圖8 可變負(fù)載電路配置

通過三個電阻對電壓差進(jìn)行編程，將LDO穩(wěn)壓器上的壓降設(shè)置為恒定的1.5 V。對于1 A負(fù)載，LDO穩(wěn)壓器會損失1.5 W的功率，而不是3.2 W的功率。借助VIOC和三個電阻，當(dāng)負(fù)載電壓降至3.3 V時，LDO穩(wěn)壓器可節(jié)省一倍以上的功耗。該連接使得3.3 V負(fù)載的效率達(dá)到68.8%，而對于相同的負(fù)載，之前場景的效率為50.8%。雖然這兩個系統(tǒng)提供相同的功率，但采用VIOC的LDO穩(wěn)壓器供電效率更高。

結(jié)論

總體而言，使用VIOC的LDO穩(wěn)壓器的性能優(yōu)于不使用VIOC的LDO穩(wěn)壓器。具有VIOC功能的ADI超低噪聲LDO穩(wěn)壓器實現(xiàn)了效率和輸出信號質(zhì)量的理想平衡。VIOC和LDO穩(wěn)壓器PSRR的結(jié)合使LT3041成為一種兩用工具，既能處理高噪聲輸入，又能優(yōu)化系統(tǒng)效率。當(dāng)負(fù)載變化時，VIOC引腳會自動調(diào)整以優(yōu)化系統(tǒng)。在所有條件下，使用VIOC的LDO穩(wěn)壓器都被證明更優(yōu)越。它還提高了效率，降低了功耗。使用VIOC的LDO穩(wěn)壓器與不使用VIOC的LDO穩(wěn)壓器之間的主要區(qū)別在于VIOC引入的控制功能。通過自動控制，LDO穩(wěn)壓器可以對上游DC-DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行實時動態(tài)調(diào)整，從而實現(xiàn)出色效率。自動控制推動ADI技術(shù)緊跟電源電路的遙測趨勢。隨著人們越來越多地使用PMBus^?和其他方法收集數(shù)據(jù)以改善電源系統(tǒng)，VIOC提供了另一重自動電源控制。

關(guān)于作者

Kristian Cruz曾加入ADI公司應(yīng)屆大學(xué)畢業(yè)生輪換計劃。Kristian曾任職于核心應(yīng)用部門，為客戶的技術(shù)咨詢提供支持，也曾任職于電源事業(yè)部。他現(xiàn)在是灣區(qū)銷售部的應(yīng)用工程師。Kristian擁有加州州立理工大學(xué)圣路易斯奧比斯波校區(qū)電氣工程學(xué)士學(xué)位。