一款噪声足够小的开关电源，可直接为噪声敏感型器件供电

作者：Adam Huff，高级设计工程师；
George (Zhijun) Qian，高级设计经理
ADI公司

摘要

传统上，开关模式电源(SMPS)噪声较高，无法直接用于噪声敏感型模数转换器(ADC)，因此需要额外的低压差(LDO)稳压器来供电。近年来，SMPS技术取得了显著进展，特别是Silent Switcher架构和电磁干扰(EMI)噪声屏蔽技术的应用，有效降低了EMI辐射和输出纹波电压。得益于此，我们可以将采用噪声抑制技术的单一SMPS器件置于噪声敏感型器件附近，而不会影响ADC的信噪比(SNR)。本文将详细探讨这项技术。

引言

您是否遇到过ADC的输出结果出现轻微偏差和随机变化的情况？这可能是由ADC系统内部的噪声引起的。一个常见的噪声源是压控振荡器(VCO)的供电轨。此供电轨上的噪声可能会给时钟信号带来抖动，而时钟信号随后会用作ADC的采样时钟。如果抖动较大，ADC转换就可能出现误差，进而产生异常数据。

众所周知，SMPS在电压转换过程中需要进行开关操作，因此不可避免地会产生噪声。如果将SMPS用于时钟的供电轨，就会将噪声引入ADC系统。为了尽可能减小误差，通常采用具备噪声抑制能力的LDO稳压器为噪声敏感型器件供电。

ADI公司的LTM8080降压型稳压器SMPS等器件，集成了后调节双LDO稳压器和噪声抑制技术。类似于独立的LT3045LDO稳压器，这款SMPS器件能够提供低噪声供电轨。

为什么必须关注供电轨噪声？

供电轨噪声是能够对系统性能产生显著影响的一个关键因素。图1中，LT3045 LDO稳压器用作低噪声供电轨，为ADF4372频率合成器的VCO供电。然后，ADF4372为AD9208 ADC和FPGA板生成时钟信号。图2显示了从LT3045 LDO稳压器输出获得的相位噪声图，此图可作为比较备选供电轨方案的基准。


图1.VCO/ADC设置的基本框图


图2.作为基准的LT3045相位噪声图（1 GHz，2 MHz范围）

相较于基准设计，如果采用噪声较高的供电轨，噪声频谱图会不太理想，如图3所示，其中边带略有升高。当这些边带达到一定水平时，会给ADC采样时钟的上升沿带来抖动（图4）。结果，ADC会在非预期的时间点对模拟输入信号进行采样，导致生成包含位错误的异常数据字。

位错误的发生可能会造成显著的后果，尤其是当位错误很严重时。ADC的实际数据字与预期数据字的偏差可能会触发系统出现意外行为。例如，如果数据字指示的输入电压高于实际电压，器件可能会在系统尚未准备好的情况下被提前激活。在安全关键应用中，这种意外状态可能会导致安全特性被禁用。


图3.高噪声SMPS的相位噪声图示例（1.23 GHz，2 MHz范围）

得益于EMI噪声屏蔽技术，SMPS现在可以放置在LDO稳压器附近，而不会将开关噪声耦合到LDO稳压器的输出端。如果将SMPS和LDO稳压器封装在一起，除了降低噪声之外，还能获得其他优势。参见表1。


图4.高噪声VCO供电轨引起ADC采样时钟边沿抖动（VCO输出），进而造成ADC采样误差

单个封装中集成开关降压转换器和LDO稳压器的优势

表1.SMPS + LDO稳压器相较于独立LDO稳压器的优势

      设计特性  SMPS + LDO稳压器  LDO稳压器
  输入电源灵活性  输入范围宽（3.5 V至40 V）  输入范围窄
  标准输入电压轨  独特的输入电压轨
  PCB布局简单  噪声敏感型布线位于器件内部  需要特别布线以尽可能降低噪声
  仅需基本PCB布线技术  需要更先进的PCB布线技术
  器件可以放置在其他噪声敏感型器件附近  　
  节省PCB空间  从12 V/24 V供电轨到LDO稳压器输出电压的直接电压转换  可能需要额外的稳压器来将
  无需不常见的中间总线电压  12 V/24 V供电轨转换为特定中间总线电压
  设计简单  设计已经过充分测试和优化  需要更多前期设计/测试以尽可能降低噪声
  用户可以即插即用
  潜在的系统效率提升  寄生损耗更低  　
  优化的LDO稳压器裕量
  降压调节器部分可以直接为其他外部LDO稳压器供电

将关降压转换器(SMPS)与LDO稳压器集于一体的器件具备多项优势。它可以由12 V或24 V等标准供电轨供电，输入电源非常灵活。此外，可以设计中间总线来维持一个高于LDO稳压器输出的特定电压，这样即使器件由较高电压供电也能稳定工作。这种“电压输入到输出控制”(VIOC)特性通过控制上游SMPS的输出，确保LDO稳压器具有设定的裕量。要想在提升效率的同时保持电源抑制比(PSRR)，VIOC不可或缺。

SMPS与LDO稳压器的组合，使得对噪声敏感的布线可以在器件内部电路中进行。因此，只需在PCB层面应用基本布线技术，即足以优化器件的噪声性能。

此外，得益于完全集成的EMI噪声屏蔽，片内SMPS的噪声不是向各个方向辐射，而是被引导至远离LDO稳压器的方向。这项技术使得开关稳压器可以放置在LDO稳压器附近，而不会影响LDO稳压器的噪声抑制能力。因此，这款完全集成的器件可以布置在过去因噪声问题而不适合布置SMPS的区域。

如果器件的SMPS部分能够提供比LDO稳压器额定值更大的电流，则可以将多个LDO稳压器集成到封装中。此外，外部LDO稳压器可以连接到中间总线，从而为用户的设计提供更大的灵活性。

为了确保符合器件数据手册中提到的规格，我们对这款完全集成的SMPS加LDO稳压器组合器件进行了全面的测试，以保证器件满足规定的要求。

噪声低如LDO稳压器的开关降压转换器

与基准LDO稳压器方案相比，LTM8080的输入电源电压灵活性更大，而且功率损耗更低。图5展示了采用LTM8080的示例解决方案，体现了设计灵活性。LTM8080与共封装的降压稳压器和LDO稳压器一起，集成了EMI噪声屏蔽，能够有效引导辐射噪声的传播方向。


图5.LTM8080解决方案取代了ADF4372SD2Z评估板上的两个LT3045 LDO稳压器，而且支持可选的用户自定义第三LDO稳压器输出，以实现更大的系统灵活性。

比较LTM8080和LT3045的噪声抑制能力，两者的测量结果几乎完全一致。表2展示了SNR比较结果，图6显示了相位噪声图。因此，LTM8080可用作LT3045的替代方案，既能有效减少位错误，又能很好地抑制噪声。

表2.SNR比较：LTM8080对比LT3045

     ADF4372：5 V PLL时钟电源  SNR：AD9208
  LT3045（基准）  53.6 dBFS
  LTM8080  53.6 dBFS


图6.相位噪声图：LTM8080（左）与LT3045（右）

结论

测试结果清楚地表明，具备先进噪声抑制技术（例如EMI噪声屏蔽）的SMPS器件可以有效取代LDO稳压器来为噪声敏感型供电轨供电。尽管概念验证主要针对VCO供电轨，但集成SMPS和LDO稳压器的解决方案所具备的设计灵活性，也能惠及许多其他对噪声敏感的应用。

作者简介

Adam Huff是ADI公司电源模块部的高级设计工程师。他自2005年加入ADI公司以来，在电源模块部担任过多个职务。他拥有普渡大学电气工程学士学位。

Zhijun“George”Qian是ADI公司的电源模块高级设计经理。他拥有浙江大学电力电子学士学位和硕士学位，以及美国中佛罗里达大学电力电子博士学位。他于2010年加入ADI公司。