從射頻信號完整性到電源完整性』每個VRM都是一種特殊的功率放大器（PA）

Qorvo首席系統(tǒng)工程師/高級管理培訓(xùn)師 Masashi Nogawa 將通過《 從射頻信號完整性到電源完整性 》這一系列文章，與您探討射頻（RF）電源的相關(guān)話題，以及電源軌可能對噪聲敏感的RF和信號鏈應(yīng)用構(gòu)成的挑戰(zhàn)。本文將討論 VRM作為特殊功率放大器的工作原理及其與RF/信號鏈領(lǐng)域中的共通點 。

在射頻（RF）和信號鏈領(lǐng)域的 許多工程師將電壓調(diào)節(jié)模塊（VRM）系統(tǒng)視為“電源” ；而與他們的信號鏈電子元件截然不同。那么，就讓我們在RF/信號鏈工程師和電源技術(shù)工程師之間找到一些共通點。

當(dāng)我們觀察VRM的結(jié)構(gòu)時，從簡單的線性調(diào)節(jié)器或LDO（低壓差線性穩(wěn)壓器）到復(fù)雜的SMPS（開關(guān)模式電源=開關(guān)穩(wěn)壓器），可以發(fā)現(xiàn) 其關(guān)鍵調(diào)節(jié)元件是負反饋回路中的誤差放大器（EA） （如圖1所示）。將我們的注意力聚焦于這個EA，可以追溯其正輸入端口至電壓基準(zhǔn)“VREF”，并看到其負輸入端口通過必要的分壓電阻網(wǎng)絡(luò)連接到輸出電壓。反饋信號的微小變化會通過功率級對輸出進行校正，因此從這個以EA為中心的視角來看， VRM只是一種特殊類型的功率放大器 。

圖1，N-MOS LDO結(jié)構(gòu)

VRM有何特別之處？

在RF或信號鏈中，幾乎所有的功率放大器（PA）都被期望將信號放大到更高的電壓/電流/功率水平，同時保持信號的波形（如圖2所示）。而VRM作為一種特殊的功率放大器，其設(shè)計目標(biāo)是將其參考電壓“VREF”放大至恒定的輸出電壓水平。如果這個輸出電壓在變化條件下依然“堅如磐石”，VRM即被判定為“良好”。換句話說， VRM只是產(chǎn)生恒定的直流偏置點 ——這是RF和信號鏈工程師經(jīng)常使用的一個術(shù)語；其指代電源軌，無論是低壓還是高壓。如果VRM的電壓基準(zhǔn)被一個信號調(diào)制，那么輸出端就會呈現(xiàn)更高等級的模擬量信號。當(dāng)然，在使用VRM時，要特別注意避免基準(zhǔn)上出現(xiàn)任何雜散信號，以確保輸出電壓恒定，并通過到EA的反饋信號來糾正出現(xiàn)的任何偏差。

圖2，與VRM相似的RF PA功率放大器

這種視角通過將VRM類比為處理“信號”的放大器，使我們對其有了更好的理解。作為一種特殊的功率放大器，RF或信號鏈工程師所關(guān)注的所有問題也都同樣適用于VRM?！癡RM就是功率放大器”這一說法讓我們得出了一個直接而簡單結(jié)論： 如果您的“VREF”移動到不同的直流電平或有交流疊加，它就被視為需要放大的“信號”。

VRM只是按設(shè)計增益放大其“VREF”電壓。例如，許多輸入為5V或12V的降壓（buck）穩(wěn)壓器使用0.8V的基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生3.3V的輸出，因此具有“x4.125”（= 3.3V / 0.8V）的增益。由于我們的VRM可視為“x4.125”增益的放大器，那么如果0.8V“VREF”出現(xiàn)0.5%的誤差會發(fā)生什么情況？ 0.8V“VREF”的0.5%誤差意味著我們有4mV的誤差被放大“x4.125”倍 ，從而導(dǎo)致3.3V輸出中存在16.5mV的誤差，即目標(biāo)輸出電壓的0.5%誤差。

當(dāng)“VREF”在頻率域中變化時，審視其所造成的影響會變得十分有趣。

在本系列文章中，我們將 任何示例電路在1Hz或10Hz的響應(yīng)視為直流行為 ，不再另行通知。

低頻如何被視為直流？

如今，電源管理IC中使用的硅技術(shù)已足夠快，可以將低于100Hz的任何信號視為“直流行為”，除非需要針對如此低的頻率進行專門處理。這意味著任何由一對電阻和電容元件構(gòu)成的時間常數(shù)值都不會超過10毫秒。

如果我們VRM的“VREF”疊加了高頻白噪聲 ，例如頻率高達10MHz，那么它就會嘗試放大這個白噪聲作為其輸入信號（“VREF”作為“信號”進入EA的正“+”輸入端）。請注意，我們在討論一種假設(shè)的VRM使用方式，在實際應(yīng)用中并不可取。

那么，VRM是否會輸出高達10MHz的白噪聲呢？答案是“不會”。

在此，我們需要考慮VRM系統(tǒng)的負反饋控制環(huán)路帶寬（BW）。當(dāng)VRM中形成負反饋環(huán)路，我們只有有限的平坦增益帶寬；而超過該頻率點后，增益會遵循其增益帶寬乘積特性而下降。作為一個PA，我們的VRM可以根據(jù)這個增益曲線放大“VREF白噪聲”。因此，以下論斷適用于本系列文章的全部內(nèi)容： “在其反饋控制帶寬之外，VRM能夠為您帶來的效能也愈發(fā)微弱” 。

VRM的增益帶寬乘積特性

此仿真示例展示了VRM作為PA的增益帶寬（圖3）；相關(guān)參數(shù)和數(shù)據(jù)源自圖4所示的仿真電路圖。

*此仿真文件可從GitHub上的Qorvo代碼庫下載。

圖3，典型的LDO增益帶寬圖

圖4，用于生成圖3的仿真模型原理圖

這款P-FET LDO模型比較了其“ 開環(huán)增益 ”和“ 閉環(huán)增益 ”。該LDO設(shè)計為具有5V輸出和內(nèi)部0.5V基準(zhǔn)電壓（VREF）；因此從VREF電壓的角度來看，它成為一個“x10”的放大器。 當(dāng)我們將其視為VREF的“x10”放大器時，AC模擬源“Vac”與VREF串聯(lián)。 盡管我們將其標(biāo)記為“Vac”，但也可以將之視為添加到VREF上的噪聲源；這與本文上一節(jié)的內(nèi)容一致。

“電感電容對”（“Lopen”、“Copen”）用于開啟/關(guān)閉環(huán)路 。當(dāng) x=0 時，環(huán)路處于“關(guān)閉”狀態(tài)，Rfb與Rg并聯(lián)后的反饋信號不經(jīng)濾波，直接發(fā)送到誤差放大器“A1”。當(dāng) x=1 時，環(huán)路處于“開啟”狀態(tài)，反饋信號會先經(jīng)過一個高效的低通濾波器；誤差放大器“A1”只設(shè)定直流偏置點。

在頻域中， 一旦任何信號、噪聲，或任何動態(tài)信號超出了全增益帶寬，相位響應(yīng)下降，VRM的響應(yīng)就會越來越弱 ……最終無法作為PA而發(fā)揮任何作用。

很多工程師期望他們的VRM在環(huán)路帶寬之外能有更好的表現(xiàn)。例如，許多IC供應(yīng)商會展示他們LDO器件在很高頻率下的PSRR特性。對于一款非常優(yōu)秀的LDO器件，其 環(huán)路帶寬可達1MHz或略高 ，而一旦超過這個頻率點，LDO便不再產(chǎn)生響應(yīng)。在PSRR曲線上，超出帶寬的部分實際上反映了輸出電容的性能；而即使我們關(guān)閉LDO，在這個單位增益頻率點之后仍然會得到相同的PSRR曲線。

這一討論的另一面是，您的VRM確實會放大這種“白噪聲VREF”到其帶寬極限； 這一現(xiàn)象被稱為“VRM自產(chǎn)”噪聲 。這個故事聽起來與RF或信號鏈應(yīng)用中關(guān)于“低噪聲放大器（LNA）”的討論頗為相似，實則有所區(qū)別。如前所述，這種帶噪聲的“VREF”是電壓調(diào)節(jié)放大器輸出的有效輸入，VRM被迫按照其增益去放大VREF電壓。相比之下，LNA的噪聲被定義為通過短接其正負輸入端而添加到輸出端的非強制性噪聲。當(dāng)您的VRM輸出高電壓軌時，這種差異會被極大放大。以1.2V基準(zhǔn)電壓塊為基礎(chǔ)的24V輸出VRM相當(dāng)于一個x20的增益放大器，或者說是x20增益的“VREF噪聲放大器”。在這種情況下，我們可以得出一個簡單的經(jīng)驗法則： 如果可能的話，應(yīng)使用盡可能高的基準(zhǔn)電壓來避免“VREF噪聲放大效應(yīng)”。

以 Qorvo的ACT40850 為例，其有效降低了作為功率放大器的VRM增益；該產(chǎn)品在設(shè)計上采用了4V基準(zhǔn)電壓，并經(jīng)過卓越的噪聲過濾，以實現(xiàn)20至55V的輸出（圖5）。

圖5，Qorvo ACT40850 VRM輸出噪聲