利用电流基准开关稳压器设计来优化LDO裕量控制——第一部分：噪声源、影响及策略

作者：Kyosuke Shimo，现场应用工程师
Ino Ardiente，产品应用工程师
Aldrick Limjoco，高级经理

摘要

本文探讨了开关稳压器的各种噪声源及其对不同模拟信号链器件的影响。文章重点介绍了几种噪声抑制策略，包括使用低压差(LDO)稳压器作为有效的后置调节滤波器。文章还展示了ADI公司的一系列解决方案，不仅能够优化不同负载条件和输出电压下的LDO效率，而且具备良好的电源噪声抑制性能。其中一种解决方案提供了一种新的方法，使LDO可以控制由电流基准架构的开关稳压器产生的裕量。

引言

设计高效且低噪声的电源解决方案，对于利用高性能模拟信号链的噪声敏感型系统至关重要。然而，对于不同的系统和频率范围，噪声敏感度有所不同。有些应用（如超声成像）特别容易受到低频或1/f噪声的影响。采用高性能数据转换器的系统则很容易受到互调失真的影响，其中基频输出纹波可与载波信号相互作用，产生和差量。这些多余的频率边带分量可能导致数据转换器的信噪比(SNR)和无杂散动态范围(SFDR)显著下降。此外，电磁干扰(EMI)也是一个关键因素，尤其是在必须遵守严格EMI标准和认证条件的系统中。

图1显示了典型降压调节器工作在稳态脉宽调制(PWM)模式下的噪声频谱。

此外，基频纹波及其谐波会在整个噪声谱中引入强杂散能量。基频纹波是指开关稳压器输出端存在的残余交流电压。它与稳压器的开关操作具有相干性，其基频与转换器的开关频率一致。这种伪像可能通过调制模拟输入载波而显著影响数据转换器，产生不必要的边带，从而降低SFDR和SNR性能，如图3所示。


图1.降压调节器输出频谱

典型降压调节器通常会产生低频宽带噪声，此噪声主要源自基准电压源的噪声。这可能导致敏感RF器件（例如集成压控振荡器(VCO)的宽带锁相环(PLL)频率合成器）出现相位噪声问题，如图2所示。


图2.集成VCO的宽带PLL频率合成器的相位噪声


图3.16位、125 MSPS高速ADC快速傅立叶变换

第三种噪声涉及高频谐波，这些谐波源于开关节点的电压振铃。这种振铃由快速开关变换(di/dt)和稳压器输入环路内寄生电感共同引起，如图4所示。这会进一步加剧EMI和信号完整性问题，并可能通过寄生方式耦合到稳压器的输出端。

解决噪声问题

Silent Switcher® 3 (SS3)架构有效解决了低频噪声（特别是1/f噪声）问题，在此区域内实现了出色的低噪声表现。


图4.降压调节器的输入电流环路和开关节点电压波形

基频纹波可通过多种技术来减轻。一种方法是使用RC滤波器，这种方法设计简单，但也存在一定的局限性。为了实现足够低的3 dB截止频率，以便有效衰减纹波，需要一个大电容(C)和一个小电阻(R)。然而，这种配置可能会由于串联电阻而产生相当大的功率损失，导致其在许多应用中效率较低。不过，在电源电流相对较低的情况下，这可能是可接受的。虽然衰减斜率限制为20 dB/十倍频程，但这种方法的一个关键优势是它不需要任何磁元件。

LC滤波器也是一种常见且高效的方法。截止频率通常设计为比开关频率低至少一个数量级。其衰减斜率更陡，达到40 dB/十倍频程，因此衰减效果更好。然而，LC滤波器的设计需要特别小心，尤其要注意谐振效应：在特定频率时，它可能意外放大噪声，而不是衰减噪声。这两种无源滤波器方法都会影响电压输出精度和瞬态性能。图5展示了开关稳压器输出级后布置的RC和LC滤波器。


图5.RC和LC无源滤波器

具有高增益带宽积(GBW)的LDO可以有效抑制兆赫兹范围内的基频纹波，同时实现出色的低噪声表现。然而，必须仔细权衡各种利弊，例如保持足够的电源电压抑制比(PSRR)和整体效率。相较于无源滤波器，将LDO用作后置调节级的方案更具优势，包括更高的输出电压精度和更好的瞬态响应性能。为了实现良好的解决方案，务必仔细平衡VIN - VOUT裕量与LDO的PSRR特性。高频谐波（通常在100 MHz及以上的范围内）可通过铁氧体磁珠来有效衰减。这些元件在目标高频下表现出电阻特性，因此非常适合抑制这种高频噪声。但需要注意的是，铁氧体磁珠也会带来一些复杂问题，例如谐振效应和不同负载条件下的阻抗变化。设计过程中必须仔细评估这些因素。1

为了实现出色的高频噪声表现，可以采用Silent Switcher架构。这些设计通过显著降低开关节点的高频振铃来使EMI最小化，从而成为适合噪声敏感型应用的高度稳健解决方案。

开关稳压器利用LDO来增强输出噪声性能

LDO通常放置在开关稳压器之后，用于后置调节，以滤除某些频率范围内的噪声伪像。LDO在抑制低频（最高数百千赫兹）噪声方面通常非常有效。高增益带宽的LDO（如LT3045）将此能力扩展到兆赫兹范围，提供优越的PSRR性能。该器件是一款20 V、500 mA的高性能、超低噪声、超高PSRR稳压器，非常适合对噪声敏感的应用。与无源滤波器相比，LDO具备若干优势，包括更高的输出电压精度、增强的稳定性和优越的瞬态响应。

LDO用作后置调节滤波器时，关键参数之一是PSRR。PSRR衡量的是稳压器在一系列频率下，能够在多大程度上有效抑制或衰减输入电源噪声，防止噪声传播到输出端并影响电压完整性。

然而，PSRR与负载电流和裕量电压（输入电压与输出电压之差）都有关。负载电流是影响LDO误差放大器开环增益的关键因素，因此会直接影响PSRR性能。在轻载条件下，调整元件表现出更高的阻抗，使得其与输出电容形成的极点偏移至较低频率。这种偏移会增强LDO有效抑制电源纹波的能力。

而在重载条件下，误差放大器的输出阻抗降低，开环增益也随之降低。增益的降低导致PSRR下降，尤其是在DC与反馈环路的单位增益带宽之间的频率范围内。

随着裕量的减少，误差放大器的增益会降低，这种效应在负载电流提高时表现更明显。因此，PSRR性能在这些情况下会下降。2

LDO作为后置调节滤波器非常有效，但其性能与电压裕量和负载电流密切相关，因此必须对这两项参数进行精细控制。虽然增加裕量可以改善电源纹波抑制，但这也会导致功耗升高，效率降低，尤其是在负载电流较高的情况下。系统设计人员可以在有效的噪声滤波和足够的电压裕量之间找到平衡点，以维持高效率。这种平衡是实现整体设计的性能和节能目标的关键。


图6.功能框图

ADI优化效率和PSRR性能的方法

ADI提供差异化解决方案，将开关稳压器与LDO结合作为后置调节滤波器，具有自适应裕量控制功能，可实现效率和电源噪声抑制的平衡。

其中一种方法基于负载电流的动态变化。低噪声微功耗管理IC ADP5003在转换的第一级集成了高效率3 A降压调节器，其后是超低噪声3 A LDO，用来消除开关纹波和噪声。它提供一种自适应裕量控制配置，能够在最小化噪声的同时，提升效率和散热性能，因而适用于高速数据转换器和RF收发器。图6所示为ADP5003自适应裕量控制的功能框图。

在自适应模式下，LDO会根据自身的负载电流，在内部调节降压转换器的输出电压，从而动态调整其裕量。这样可确保实现良好的效率和噪声表现。另外，ADP5003也可在独立模式下运行。在该模式下，降压转换器和LDO分别独立工作，输出电压通过外部电阻分压器单独设置。

图7显示了整个LDO负载电流范围内的自适应裕量控制。x轴是负载电流，y轴是LDO的裕量电压。


图7.自适应模式裕量与负载电流的关系

自适应裕量控制模式下的裕量方案配置为在不同负载条件下保持一致的PSRR，同时提升系统整体效率，如图8所示。


图8.LDO PSRR与频率的关系

另一种方法基于VOUT的动态变化。电压输入到输出控制(VIOC)是ADI公司某些LDO的一个关键特性。它通过自动调整开关稳压器的输出来维持规定的裕量电压，从而提升系统效率。虽然VIOC不会自动选择最佳PSRR，但用户可以手动定义裕量电压，为特定应用实现期望的PSRR性能。

以LT3045-1为例，该器件具有VIOC特性，是一款20 V、500 mA的超低噪声、超高PSRR线性稳压器。图9展示了一个典型VIOC应用，它被用于对LT8608降压调节器的输出进行后置调节。VIOC电压配置为1 V，LDO的最大输入电压限制为16.5 V。其中还展示了如何使用电阻分压器来轻松配置输入到输出差模电压，使设计人员能够根据特定应用要求调整PSRR和功耗之间的平衡。

利用带电流基准架构的开关稳压器实现简便的LDO裕量控制

电流基准架构是一种设计方法，它将精密电流源，而非传统的基准电压源，用作调节输出电压的核心元件。它具有单位增益误差放大器，输出电压可通过单一电阻轻松设置。这种方法在线性稳压器中特别有利，并且越来越多地用于开关转换器，以满足高性能应用的需求。图10中的降压型IC就采用了这种架构。


图9.典型的LT3045-1后置调节应用


图10.降压型IC的电流源基准架构

ADI公司的多款线性稳压器采用了电流基准架构，例如LT3080和LT3045，实现了高精度和低噪声。LT3080是一款可调1.1 A低压差稳压器，内置精密电流源和电压跟随器，可支持需要大电流和输出调节能力（可调至0 V）的应用。高集成度开关转换器，例如58 V、4 A降压型μModule®稳压器LTM4653和基于SS3(第三代低噪音)技术的稳压器，通过采用电流基准架构来提升低噪声性能并降低EMI，同时保持高效率和小尺寸。

电流基准架构的优势如下：
•        输出可调节到0 V，这在使用传统基准电压的情况下很难实现。
•        简化输出电压设置，因为它使用单一电阻，而非传统基准电压所需的两个电阻。节省元件数量和空间。
•        在整个输出电压范围内性能一致，因为它以单位增益工作，无论输出电压如何，它都能确保稳定的带宽和瞬态响应。

凭借ADI的先进SS3技术，输出噪声（0.1 Hz到100 kHz）在整个输出电压范围内始终保持较低水平，确保无论输出电压电平如何，性能都很稳定。

通常，具有VIOC功能的LDO不能与SS3开关稳压器搭配使用，因为SS3稳压器没有常规FB引脚。图11显示了一种新架构，它使用电流源基准开关稳压器，根据开关稳压器SET引脚和LDO输出之间的电阻生成输出电压。


图11.利用电流源基准和LDO进行裕量控制的降压调节器框图

借助具有电流源基准特性的DC-DC转换器，可以巧妙高效地实现类似于先进LDO的VIOC特性的功能。在此设置中，第一级开关转换器使用其SET引脚处的电流源基准，并通过一个电阻将其连接到第二级LDO的输出电压，从而实现动态裕量控制并改善噪声性能。

结语

开关稳压器的噪声可能以不同方式影响模拟信号链器件，具体取决于每个器件对哪种频率最敏感。根据系统需要处理的特定频率范围，我们可以应用不同的滤波技术来消除噪声的影响。使用LDO是另一种有效方法，但需要仔细权衡PSRR与电压裕量；电压裕量决定器件的效率，尤其是在动态输出电压或负载条件变化的情况下。

第二部分将重点介绍如何通过电流基准DC-DC转换器设计来优化LDO电压裕量控制。文章将涉及实际的实现方案、电路仿真和性能评估，并重点说明噪声敏感型应用的关键考虑因素。

参考文献
1 Aldrick Limjoco和Jefferson Eco，“铁氧体磁珠揭秘”，《模拟对话》，第50卷，2016年2月。
2 Glenn Morita，“理解低压差稳压器(LDO)，实现系统优化设计”，模拟对话，第48卷，2014年12月。
3 Yu Lu和Hugh Yu，“低噪声Silent Switcher μModule和LDO稳压器有助于改善超声噪声和图像质量”，《模拟对话》，第56卷，2022年4月。

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作者简介

Kyosuke Shimo于2022年作为应届毕业生加入ADI日本公司，目前在工业客户解决方案部担任现场应用工程师。他负责为电源产品提供技术支持，并与客户紧密合作，解决技术挑战和提出创新解决方案。Kyosuke曾在东京都立产业技术高等专门学校(KOSEN)学习电气和电子工程，于2022年获得东京都立大学硕士学位。他相信，无论是电路设计还是咖喱烹饪，“SPICE”都是关键。

Ino Lorenz Ardiente目前在ADI菲律宾公司的电源解决方案部担任电源架构工程师。他拥有马尼拉市立大学（Pamantasan ng Lungsod ng Maynila）电子工程学士学位和马普阿大学电力电子研究生文凭。2025年加入ADI之前，他在高功率AC-DC和DC-DC转换器的设计、测试和评估方面拥有6年多的从业经验。

Aldrick S. Limjoco目前在ADI菲律宾公司的电源解决方案部担任高级经理兼电源架构师。自2006年加入ADI以来，他一直专注于电源管理领域，并担任过多种工程职务，涵盖设计评估、产品应用和应用研究等方面。Aldrick目前拥有三项美国专利，已撰写/合作撰写关于开关稳压器输出纹波测量技术、新型低纹波电源应用技术和铁氧体磁珠复杂性等主题的技术文章。他拥有爱尔兰利默里克大学工程硕士学位和菲律宾马尼拉德拉萨大学电子工程学士学位。