理解線(xiàn)性穩壓器噪聲的混合電源

在許多應用中，工程師團隊一個(gè)開(kāi)關(guān)DC-DC電壓轉換器(“開(kāi)關(guān)穩壓器”)與低輟學(xué)線(xiàn)性穩壓器(LDO)。這樣的混合供電是一種很好的方式，以最大限度地延長(cháng)電池壽命，同時(shí)保持適用于敏感的模擬電路電池供電產(chǎn)品的無(wú)噪聲電源。

但是，“無(wú)噪聲”只是相對而言的，因為再好的低壓降穩壓器產(chǎn)生一些噪音。許多工程師認為，噪聲的LDO的輸出僅僅是它的電源抑制比(PSRR)的函數。當在一系列具有開(kāi)關(guān)調節器中使用，PSRR確實(shí)是如何在LDO涉及在開(kāi)關(guān)穩壓器的輸出上的電壓和電流波動(dòng)的良好量度 - PSRR但不應該在其上的LDO被選擇的唯一標準。

該LDO具有其內部元件產(chǎn)生的內部噪聲的幾個(gè)來(lái)源，更糟糕的是，一些本是頻率的函數。它是PSRR和內部噪聲的這種組合，其確定LDO的輸出的穩定性。

本文介紹了如何結合的LDO可以為連接，無(wú)線(xiàn)便攜產(chǎn)品很好的解決的開(kāi)關(guān)穩壓器，進(jìn)而導致在解釋為什么該工程師分析LDO的數據表，以確保它是非常重要的，它從電力供應仍然整體噪音內的最終產(chǎn)品規范。

LDO和開(kāi)關(guān)穩壓器相比，

電池供電的便攜式設備需要的電壓調節，以確保兩個(gè)電池壽命最大化和敏感的硅喂以精確和不變的電壓它要求。此外，規定確保了電源可以對應于寬的負載范圍內，而不過(guò)度受電池。

電壓調節歸結為兩個(gè)選擇，一個(gè)LDO或一個(gè)開(kāi)關(guān)調節器。低壓降穩壓器是相對便宜，小巧，并提供“干凈”電源(但不是完全純粹的，因為我們將在下面討論)優(yōu)雅的設備。任何一個(gè)合格的電子工程師可以設計使用商用模塊化LDO，只是三個(gè)外部無(wú)源元件的電源。此外，還有一個(gè)巨大的范圍可供選擇高度可靠的LDO。凌力爾特公司令人尊敬的LT1084，例如，開(kāi)發(fā)二十年前，今天仍然是可用的。

線(xiàn)性穩壓器的缺點(diǎn)是缺乏在寬電壓范圍內的效率，并限制到降壓(或“降壓”)的配置。

LDO的基本前提是利用一個(gè)反饋回路，包括一個(gè)基準電壓，誤差放大器，一個(gè)場(chǎng)效應晶體管(FET)以線(xiàn)性模式操作時(shí)，和一個(gè)電阻分壓器。而電阻分壓器設定的輸出電壓時(shí)，FET使LDO無(wú)論負載，以提供一個(gè)恒定的輸出電壓。誤差電路確保輸出被維持在所期望的電壓。圖1示出的LDO的簡(jiǎn)化示意圖。

德州儀器LDO示意圖像

圖1：一個(gè)LDO的基本要素。 (德州儀器提供)

LDO的效率是正比于輸入和輸出電壓之間的差異;的差以下時(shí)，更高效的設備。功率橫跨FET和電阻分壓器和跨在LDO大的電壓差消散可導致熱量積聚，其可呈現在緊湊便攜式一個(gè)挑戰。

在達到某一程度時(shí)，在電池電壓下降到一定水平，從而使LDO不再能夠維持所希望的輸出和“滴出”。這一級被稱(chēng)為釋放電壓。更高規格的設備會(huì )容忍更低的壓差電壓低于昂貴的設備。例如，凌力爾特的LT3070 LDO - 這從0.95至3 V輸入產(chǎn)生0.81.8 V輸出高達5 A - 擁有的只是85 mV的壓差電壓。然而，即使是最好的LDO將可能退出而一些容量仍停留在細胞內，減少潛在的電池壽命。

開(kāi)關(guān)穩壓器在20世紀60年代被引入了在寬電壓和負載范圍的高效率的主要優(yōu)勢。效率在低負載是早期的設備問(wèn)題，但已基本得到解決與“脈沖跳躍”技術(shù)(見(jiàn)技術(shù)專(zhuān)區文章“的脈沖頻率調制的DC / DC開(kāi)關(guān)電壓轉換器的優(yōu)勢”)。

開(kāi)關(guān)穩壓器使用一個(gè)或兩個(gè)FET，但不像在LDO，這些操作 - 作為產(chǎn)品說(shuō)明建議 - 在切換模式。當FET是上并導通電流，在其電源通路上的電壓降最小。當FET關(guān)閉和阻塞高壓，幾乎沒(méi)有電流通過(guò)它的電源通路。這些特性保證很少的電力消耗在穩壓器提高工作效率。一個(gè)現代的12 VIN，3.3 VOUT同步 - 開(kāi)關(guān)降壓穩壓器，如國際整流器公司(IR)IR3898一般可以達到90%的效率(比從LDO在相同條件下工作27.5%)。

與低壓降穩壓器，還有種類(lèi)繁多的開(kāi)關(guān)電源可從主要供應商如飛思卡爾，美信，安森美半導體和德州儀器(TI)。

的開(kāi)關(guān)穩壓器的缺點(diǎn)是尺寸(雖然功率密度優(yōu)于的LDO)，成本，設計復雜，和噪聲。最后兩個(gè)數據項都相關(guān)的，因為大部分的設計的復雜性有關(guān)，電感器的選擇和要求確保波紋的峰 - 峰值的輸入和輸出濾波電路的設計受到限制。電感器(S)等無(wú)源器件的正確選擇，可以限制輸出電壓和電流紋波，但一些電磁干擾(EMI)是不可避免的(見(jiàn)技術(shù)專(zhuān)區的文章“電容的選擇是關(guān)鍵，以良好的電壓調節器設計”)。

該設計挑戰是由現代偏好高頻開(kāi)關(guān)電源而加劇。通過(guò)在更高的頻率下操作，電源可以利用較小的電感器(多個(gè))減少其尺寸和成本。然而，高頻率操作，使電磁干擾問(wèn)題更加難以解決(見(jiàn)技術(shù)專(zhuān)區的文章“設計折衷選擇高頻開(kāi)關(guān)穩壓器時(shí)”)。

由開(kāi)關(guān)調節器產(chǎn)生的EMI可以打亂其他成分，特別是在便攜式產(chǎn)品，其中設備被密集封裝和印刷電路板(PCB)跡線(xiàn)短。更糟糕的是 - 銘記有設計工程師熱心于將RF芯片到他們最新的產(chǎn)品與無(wú)線(xiàn)連接賦予它的增長(cháng)的隊列----流浪EMI增加設計穩健RF電路的難度。

第三個(gè)選項

而不接受通過(guò)選擇一個(gè)LDO或開(kāi)關(guān)調節器引入的妥協(xié)，許多進(jìn)取工程師已經(jīng)由一個(gè)開(kāi)關(guān)調節器的輸出直接鏈接到LDO的輸入創(chuàng )建混合電源拓撲。

開(kāi)關(guān)穩壓器接受寬范圍的輸入電壓，并有效地調節到一個(gè)更高，更低，或倒置的供應。另外，如果開(kāi)關(guān)裝置的輸出(即，輸入到LDO)被設定為使得它僅稍微大于所述電源的要求輸出，在LDO可以連續在其最有效的范圍內工作。

這種混合供給背后的關(guān)鍵前提是在LDO過(guò)濾開(kāi)關(guān)穩壓器的紋波影響調節的輸出，從而消除潛在的EMI問(wèn)題并避免了要求花費時(shí)間長(cháng)煉PCB設計和計算所述電感和電容值的輸出濾波電路(如將是這種情況，如果開(kāi)關(guān)調節器被用在其自身)。其他優(yōu)點(diǎn)還包括電源，具有改善了穩定性，精確度更高，更快的瞬態(tài)響應，并降低了輸出阻抗(見(jiàn)技術(shù)專(zhuān)區的文章“混合電源交付無(wú)噪聲電壓的敏感電路”)。

不幸的是，事情并不僅僅是選擇兩個(gè)監管機構和連接在一起稍微復雜一點(diǎn)。

控制噪音

的LDO的平滑開(kāi)關(guān)電源的電壓和電流紋波能力的衡量標準是PSRR。 PSRR量化LDO的過(guò)濾器從它的輸入如何波紋(在這種情況下，開(kāi)關(guān)調節器的輸出)在很寬的頻率范圍，并表示為分貝(dB)。 (工程師應該注意到，根據脈動(dòng)頻率的PSRR響應而變化。以確保該開(kāi)關(guān)穩壓器的工作頻率相匹配是很重要的，或至少是接近，LDO的最好的PSRR頻率響應。)

許多工程師的結論是，所提供的PSRR是好的，那么一切都會(huì )好起來(lái)的混合電源。這不是這種情況，因為，如上所述，包括的LDO電壓基準，場(chǎng)效應晶體管，電阻器，和其它外部電路會(huì )引入額外的(和不顯著(zhù))噪聲獨立地PSRR的(見(jiàn)圖2)。具有良好的PSRR，但高的自感應噪聲的LDO將是從混合供給產(chǎn)生一個(gè)干凈的電壓一個(gè)糟糕的選擇。因此，重要的是對入圍的設備的數據表的工程師同時(shí)檢查PSRR和內部噪聲參數。

德州儀器噪聲線(xiàn)性穩壓器圖片

圖2：從線(xiàn)性穩壓器的噪聲包括外部噪聲，內部噪聲，并且拒絕后遺留下來(lái)的。 (德州儀器提供)