本文介紹 LDO穩壓器選型 時幾個不太注意的關鍵參數。還針對特殊低噪聲要求,將開關穩壓器和LDO穩壓器進行了比較。此外還討論了行業趨勢,以及介紹需要高性能LDO穩壓器的應用。
大多數電子設備電源提供的電壓都高于電子設備的典型工作電壓。例如,計算機的電源通過適配器插入110 VAC/220 VAC壁式插座,其消耗的電流小于1A。在各種功率半導體執行一系列降壓轉換后,計算機的處理器最終可能在低于1 VDC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的不同內部電壓軌。
低壓差穩壓器通常稱為LDO穩壓器,廣泛用于各種電子應用,用于調節和控制從較高輸入電壓電源中輸出的較低電壓。雖然LDO穩壓器通常出現在電源管理教科書的起始章節,并且一般都認為這是一種非常簡單的器件,但在電路設計中選擇LDO穩壓器時,除了電壓和電流額定值之外,還有一些技術特性也至關重要,而電路設計人員可能對此不甚了解。本文重點討論LDO穩壓器的低噪聲要求,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鍵應用。
噪聲的來源及處理方法
LDO穩壓器很少直接從輸入電源轉化后連接到其他電路——大多數情況下,這種使用方式的功率損耗會非常大。相反,設計人員通常使用AC-DC或DC-DC開關穩壓器。當電源(電池或AC)為開關穩壓器供電時,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產生的外部噪聲。更糟糕的是,這種開關穩壓器從來不存在理想的開關器件,所有開關事件都會產生尖峰和振鈴,最終會成為內部噪聲。開關穩壓器可能遠離負載放置,沿著其路徑可能會引入額外的外部噪聲。
由于LDO穩壓器可提供較好的穩壓性能并抑制輸出紋波,或者電路中可能存在多個負載,需要不同的電壓,所以電路中通常都會添加LDO穩壓器,用于降低穩壓器輸出電壓并向負載供電。LDO穩壓器將接收所有饋送至其輸入端的噪聲,并且本身也可能產生噪聲,如果不進行處理,所有這些噪聲都可能傳遞到負載(圖1)。由于我們無法預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載電路(這就是為什么更換電源后,音響發燒友可以分辨出音質的差異)。其他典型的敏感負載電路可能包括:射頻放大器、時鐘和時序IC、SERDES、精密模擬和圖像傳感器,以及醫療設備、測試儀器、電信、汽車和數據中心中可能存在的此類電路。
圖1.電源中存在噪聲
電路設計人員采用多種不同方法來降低電源中的噪聲。在穩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。如果設計人員在完成最初的原型設計后,發現需要添加此類濾波器,就會很棘手。
一種有名的低噪聲設計方法是使用ADI公司的Silent Switcher開關穩壓器。該產品系列所采用的降噪技術,對尺寸和效率都沒有影響,也沒有過多的元件。該系列專有設計現已發展到第三代。第一代Silent Switcher 1產品使用一對極性相反的開關環路來抵消磁場。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產品的功能特性,提供低頻超低噪聲和超快瞬態響應性能。Silent Switcher穩壓器可支持高達65 V的輸入電壓和高達30 A的負載電流,并提供降壓、升壓或降壓-升壓拓撲功能。
另一種常用方法是使用低噪聲LDO穩壓器。典型框圖如圖2所示。低噪聲LDO穩壓器設計為精密電流基準,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。
圖2.典型低噪聲LDO穩壓器框圖
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形式表示,并隨不同負載和輸入/輸出電壓而變化。本質上,我們不希望輸入噪聲出現在輸出端,因此使用具有較高PSRR的LDO穩壓器至關重要。由于高頻PSRR可以通過在LDO穩壓器前后添加小型低通濾波器來改善,因此在選擇IC時應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3.低噪聲LDO穩壓器的典型PSRR
下一個重要的因素是噪聲密度與頻率的關系,如圖4所示。有些與通信相關的應用對工作頻譜有相關規定;因此,必須控制噪聲才能通過認證測試。還有一些傳感器應用,其中會檢測和處理某一低頻下的環境信號。因此,設計人員應檢查目標頻率周圍的頻譜噪聲密度曲線。
圖4.噪聲密度與頻率的關系
最后一個重要因素是總輸出噪聲,它是在有限頻率范圍內累加的噪聲譜密度的均方根值。對于模數或數模轉換電路,LDO穩壓器從DC到系統帶寬的所有噪聲都會累加在一起,從而影響系統精度。因此,總輸出噪聲對于此類應用非常重要。圖5顯示了?LT3045?的積分輸出噪聲,它比鋰離子電池更干凈。
圖5.積分輸出噪聲(10 Hz至100 kHz);低噪聲LDO穩壓器 LT3045 比電池更干凈。
Tips ? ?
LT3045?可在 ADI 中國在線商城?直接下單采購。
ADI 中國在線商城?采用現貨銷售,購物車可按整包或片數自定義輸入產品數量,人民幣結算系統支持國內多種主流線上支付方式幫您輕松免除報關煩惱。
折中方案
幾乎所有需要配備至少一個高級處理器和其他電路的應用,都需要提供包含多個輸出軌的復雜電源。設計人員有多種方案可以選擇,例如PMIC(多路輸出、單芯片)IC、多個單路輸出穩壓器或多個LDO穩壓器。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,開關穩壓器通常比LDO穩壓器效率更高,而LDO穩壓器電路更容易設計。在現實世界中,情況有點復雜。以 ADI 的 AD9162 為例。它是一款廣泛用于電信和儀器儀表系統的IC。它總共需要10個電源軌,按照44的比例分為模擬電源、數字電源和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穩壓器,例如最新發布的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穩壓器供電,那么系統尺寸和成本會略微較高。另一種方法是使用PMIC和反相穩壓器作為第一級,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 用于反相穩壓器。然后,在除 1.2 V VD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 穩壓器(圖6)。
圖6.為噪聲敏感型DAC供電的低噪聲電源解決方案
Tips ? ?
AD9162?、LTC3307B、LTM4644、LTC3370、ADP5054、LT8330、ADP5073 可在 ADI 中國在線商城?直接下單采購。
ADI 中國在線商城?采用現貨銷售,購物車可按整包或片數自定義輸入產品數量,人民幣結算系統支持國內多種主流線上支付方式幫您輕松免除報關煩惱。
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穩壓器,并用四個單通道Silent Switcher穩壓器替換PMIC和后面的LDO穩壓器。
表1匯總列出了低噪聲解決方案選型標準,供設計人員在設計時參考。一般而言,當輸入源噪聲很大、負載電流較低、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穩壓器。
表1.低噪聲電源解決方案選型參考
對于5 A+的負載電流,設計人員幾乎都會首選低噪聲PMIC或開關穩壓器(盡管LDO穩壓器也可以并聯以支持高電流)。
對于2 A至5 A的負載電流,設計人員可酌情選擇 ADP7158/ADP7159、LT3073、MAX38907 等LDO穩壓器或各種Silent Switcher穩壓器。
Tips ? ?
LT8692S、LT7200S、ADP7158、ADP7159 可在 ADI 中國在線商城?直接下單采購。
ADI 中國在線商城?采用現貨銷售,購物車可按整包或片數自定義輸入產品數量,人民幣結算系統支持國內多種主流線上支付方式幫您輕松免除報關煩惱。
應用
ADI公司是低噪聲LDO穩壓器市場的領軍企業。最近收購Linear Technologies和Maxim Integrated后,該系列產品得到進一步加強。ADI公司提供豐富的超低噪聲LDO穩壓器產品,該類產品額定電壓范圍為-20 V至+20 V,電流范圍為100 mA至5 A。
擁有數百個客戶,以下是一些典型的應用示例:
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穩壓器為其紅外傳感器供電,因為這種穩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(ADAS)客戶選擇低噪聲LDO穩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,一家內窺鏡客戶選擇了低噪聲LDO穩壓器
一家半導體自動測試設備(ATE)客戶選擇ADI電源模塊和LDO穩壓器為其ASIC供電
一家游戲耳機客戶選擇低噪聲LDO穩壓器為其音頻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穩壓器
一家大規模MIMO客戶選擇低噪聲LDO穩壓器為其GaN功率放大器供電
一般來說,低噪聲電源對大多數敏感應用都至關重要。設計人員表示,他們更愿意默認選擇低噪聲電源IC,從而在設計中提供額外的裕量。如果您在設計中遇到任何干擾問題,也許首先應檢查電源部分。
先進LDO穩壓器的未來
ADI公司提供各種超低噪聲、超高PSRR LDO穩壓器。ADI公司還設計和銷售數百種其他LDO穩壓器,這些穩壓器具有高擊穿電壓、低靜態電流、自適應引腳等不同特性,支持上游DC-DC跟蹤LDO穩壓器負載等。盡管如此,市場仍然需要性能更好、具有更多特性的LDO穩壓器。還有客戶要求我們提供噪聲更低、多通道、具有數字配置能力、瞬態響應更快以及其他各種特性的LDO穩壓器。雖然LDO穩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,請隨時咨詢當地的ADI銷售辦事處。
編輯:黃飛
?
評論
查看更多