如何利用電壓輸入到輸出控制自動(dòng)優(yōu)化LDO穩壓器的效率

引言

人們在日常生活的許多領(lǐng)域都依賴(lài)精密電子設備。這些設備可以提供精密醫療診斷，對最終產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量控制，準確測量水和空氣中的化學(xué)物質(zhì)濃度，等等。測試設備和儀器儀表中內置的精密硬件由對噪聲敏感的器件組成，在設計和測試中需要復雜的規劃以降低噪聲。降低系統噪聲的一個(gè)關(guān)鍵方面是電源軌。電源軌必須能夠提供噪聲和紋波極小的電壓，以便在噪聲敏感型應用中提供優(yōu)異性能。相反，為信號鏈提供高噪聲電源軌會(huì )導致系統性能不佳。LDO穩壓器是一種能提供低噪聲電源的器件。

LDO穩壓器通過(guò)簡(jiǎn)單的電阻分壓器設置或單電阻設置可靠地降低并調節直流電壓。LDO穩壓器提供干凈的低噪聲輸出，但與另一種穩壓器件，即開(kāi)關(guān)模式電源(SMPS)相比，存在效率較低的缺點(diǎn)?，F代SMPS器件的效率超過(guò)90%。然而，由于電感上電流的快速切換，開(kāi)關(guān)轉換器會(huì )產(chǎn)生類(lèi)似于三角波形的電流，導致其輸出具有高噪聲。電感的電壓與流經(jīng)其中的電流的差分電流成正比。圖1顯示了電流波形的示例。

圖1 降壓轉換器的輸出電流

開(kāi)關(guān)轉換器還會(huì )產(chǎn)生頻率為其開(kāi)關(guān)頻率的電壓雜散和更高頻諧波。這可以在任何開(kāi)關(guān)轉換器的頻譜噪聲內容中顯示出來(lái)。電壓噪聲圖像如圖2所示。

圖2 開(kāi)關(guān)轉換器的電壓噪聲

對開(kāi)關(guān)轉換器的輸出進(jìn)行濾波可降低噪聲。然而，這需要大容量電容，會(huì )引入等效串聯(lián)電阻(ESR)之類(lèi)的寄生效應。ESR會(huì )增加電源的功耗，并且可能導致效率降低。除了開(kāi)關(guān)噪聲紋波之外，開(kāi)關(guān)轉換器還容易受到寬帶噪聲、高頻尖峰和振鈴的影響。

將開(kāi)關(guān)轉換器與后置調節LDO穩壓器相結合可減輕噪聲。在開(kāi)關(guān)轉換器下游使用LDO穩壓器，既能獲得開(kāi)關(guān)轉換器的效率，又能獲得LDO穩壓器固有的電源抑制比(PSRR)，使高噪聲輸出得以?xún)艋?。然而，受LDO穩壓器上的壓降影響，這種方案仍然存在效率低下的問(wèn)題。

ADI公司專(zhuān)門(mén)設計的VIOC技術(shù)通過(guò)降低下游LDO穩壓器的壓降來(lái)滿(mǎn)足低噪聲和高效率這兩個(gè)相互矛盾的要求。VIOC是一種主動(dòng)控制系統，可提供來(lái)自L(fǎng)DO穩壓器的反饋以調節開(kāi)關(guān)轉換器的輸出電壓。采用VIOC的LDO穩壓器可自動(dòng)優(yōu)化開(kāi)關(guān)轉換器的輸出電壓。本文將討論VIOC功能的技術(shù)細節，提供效率改進(jìn)的實(shí)驗證據，并考慮VIOC用于可變下游電源軌的其他可能方式。

用于后置調節的LDO穩壓器

圖3 處于后置調節狀態(tài)的LDO穩壓器的框圖

在圖3中，開(kāi)關(guān)轉換器降低輸入電壓，為L(cháng)DO穩壓器供電。此輸出通常包含紋波，如圖4所示。

圖4 開(kāi)關(guān)轉換器的輸出電壓

LDO穩壓器降低開(kāi)關(guān)轉換器的輸出電壓，并將其調節至編程設定的輸出電壓，從而產(chǎn)生精密信號鏈所需的干凈電壓信號。PSRR是決定LDO穩壓器降噪效果的指標。PSRR可以使用公式計算：PSRR = |20 log(?V_INPUT)/(?V_OUTPUT )|；此測量通常在10 Hz至1 MHz的寬頻譜上進(jìn)行。具有高PSRR（例如1 MHz時(shí)80 dB）的LDO穩壓器可以非常好地衰減開(kāi)關(guān)噪聲，因而是凈化失真輸出電壓的理想器件。LDO穩壓器輸出軌的示例如圖5所示。

圖5 LDO穩壓器的輸出電壓

雖然后置調節LDO穩壓器可以有效地降低電源軌的噪聲，但該解決方案效率低下。在圖3所示的系統中，開(kāi)關(guān)轉換器的效率為90%，而LDO穩壓器的效率為66%，整體效率約為59%。

無(wú)VIOC的后置調節LDO穩壓器的設計挑戰

后置調節LDO穩壓器面臨的挑戰是設計一個(gè)效率非常高的系統。圖3中的低效率表明LDO穩壓器存在相當大的功耗，這是較大的輸入到輸出壓差和負載電流導致的。公式1顯示了如何計算LDO穩壓器的功耗。

使用ADI公司的具有VIOC功能的超低噪聲LDO穩壓器，并將其與開(kāi)關(guān)轉換器搭配，可提高系統效率。VIOC引腳會(huì )使開(kāi)關(guān)轉換器將其輸出電壓調節至理想水平，通過(guò)降低LDO穩壓器上的壓降來(lái)提高其效率。

VIOC工作原理

圖6演示了具有VIOC功能的LDO穩壓器LT3041與上游開(kāi)關(guān)轉換器的連接。VIOC和開(kāi)關(guān)轉換器反饋(FB)引腳之間的連接確保LDO穩壓器上的電壓差將被設置為開(kāi)關(guān)轉換器FB引腳的穩壓電壓。通過(guò)選擇具有低FB電壓（通常小于1 V）的開(kāi)關(guān)轉換器，可以充分地減小LDO穩壓器上的電壓差，從而提高整體效率。在一個(gè)例子中，LT8648S用作上游轉換器，其FB引腳電壓為600 mV，LDO穩壓器上將保持恒定的600 mV壓降。通過(guò)此連接，VIOC引腳將影響開(kāi)關(guān)轉換器的輸出，產(chǎn)生滿(mǎn)足公式2的輸入電壓信號。

通過(guò)設置LDO穩壓器上的電壓差，VIOC降低了開(kāi)關(guān)轉換器的輸出電壓，使LT3041成為可靠的省電工具。

圖6 典型應用電路

VIOC的優(yōu)勢

圖7顯示的后置調節LDO穩壓器解決方案用于通過(guò)實(shí)驗證明VIOC影響。LT3041的評估套件位于ADI Silent Switcher^? 2器件LT8648S的評估套件下游。該開(kāi)關(guān)轉換器的FB引腳穩壓值約為600 mV，當FB引腳和VIOC引腳相連接時(shí)，LDO穩壓器上的電壓差約為600 mV。LT8648S評估套件產(chǎn)生5 V輸出電壓，LT3041評估套件輸出3.3 V。以下部分比較了該系統不使用VIOC和使用VIOC時(shí)的性能。每個(gè)實(shí)驗都使用來(lái)自電源的12 V DC為L(cháng)T8648S供電。實(shí)驗結果如表1和表2所示。

圖7 評估板連接

在第一個(gè)實(shí)驗中，VIOC引腳未連接，開(kāi)關(guān)轉換器將電壓調節至接近5 V來(lái)為L(cháng)DO穩壓器供電。表1顯示LDO穩壓器的效率約為67%，這與圖3中預期的相同，因為L(cháng)DO穩壓器的主要功能是對開(kāi)關(guān)轉換器的輸出進(jìn)行后置調節。雖然該解決方案可產(chǎn)生干凈的電源軌，但效率低下。如前所述，效率低下的原因是LDO穩壓器因電壓差而消耗大量功率。

表1 LT3041后置調節LT8648S，不使用VIOC

在第二個(gè)實(shí)驗中，LT8648S和LT3041之間的VIOC連接導致開(kāi)關(guān)電源將其輸出電壓調節至V_OUT(LDO) + V_VIOC。當VIOC引腳連接到反饋引腳時(shí)，V_VIOC = V_FB = 600 mV。LT3041的V_OUT為3.3 V，因此LDO穩壓器的輸入電壓結果約為3.9 V。表2顯示了所產(chǎn)生的LDO穩壓器輸入電壓。

表2 LT3041后置調節LT8648S，使用VIOC

具有VIOC功能的LT3041成功降低了LDO穩壓器上的電壓差，從而提高了效率。VIOC引腳不是傳遞來(lái)自開(kāi)關(guān)轉換器的5 V信號，而是強制開(kāi)關(guān)轉換器產(chǎn)生約3.9 V的電壓。通過(guò)VIOC連接，LDO穩壓器壓差降至約600 mV，而其他實(shí)驗則有1.7 V的電壓差。LDO穩壓器的輸入電壓降低后，效率達到約84%（如表2所示），與之前的實(shí)驗相比，效率提高了17%，功耗降低了2.7倍。盡管這兩個(gè)系統輸出相同的功率，但功耗卻有很大差異。對于任何給定負載，使用VIOC的LDO穩壓器的性能將優(yōu)于不使用VIOC的LDO穩壓器。借助VIOC，系統能夠為L(cháng)DO穩壓器提供理想的電壓。

VIOC和開(kāi)關(guān)轉換器反饋引腳之間的連接并不能保證實(shí)現VIOC的省電優(yōu)勢。VIOC可以降低但不能提高開(kāi)關(guān)轉換器的輸出電壓。遵循不等式V_{OUT(SWITCHER)} > V_OUT(LDO) + V_VIOC可確保VIOC帶來(lái)省電的好處。如果違反上述不等式，則LT3041仍會(huì )調節其輸出電壓，但不會(huì )優(yōu)化開(kāi)關(guān)轉換器的輸出電壓。

以下實(shí)驗是系統突破其臨界值以確保省電的示例。在此測試中，LDO穩壓器的輸出電壓發(fā)生變化，產(chǎn)生標稱(chēng)4.32 V輸出。從表3可以看出，V_OUT(LDO) + V_VIOC尚未超過(guò)開(kāi)關(guān)轉換器的5 V穩壓輸出電壓，這使得VIOC能夠進(jìn)行省電方面的優(yōu)化。請注意，開(kāi)關(guān)穩壓器提供的輸入電壓滿(mǎn)足V_IN(LDO) = V_OUT(LDO) + V_VIOC。此外，LDO穩壓器通過(guò)VIOC保持約600 mV的壓降。如果不使用VIOC，LDO穩壓器將傳遞約5 V的輸入電壓。表4顯示了不使用VIOC的系統，開(kāi)關(guān)轉換器輸出為5 V。請注意，LDO穩壓器的輸入電壓比表3中的值更接近5 V。雖然采用VIOC的LDO穩壓器的效率略有提高，但表3和表4中的數據表明，VIOC會(huì )降低功耗，即使幅度較小。

表3 LT3041后置調節LT8648S，使用VIOC

表4 不使用VIOC的輸入電壓

一些具有可變負載電壓的應用會(huì )導致V_{OUT_LDO} + V_VIOC超過(guò)開(kāi)關(guān)穩壓器的穩壓輸出電壓?？紤]具有5 V穩壓輸出和600 mV FB電壓的LT8648S穩壓器，其與LT3041搭配，但后者現在輸出5 V電壓。當使用VIOC時(shí)，基于公式V_IN(LDO) = V_OUT(LDO) + V_VIOC，這些器件的組合導致LDO穩壓器的輸入電壓為5.6 V。此值遠大于開(kāi)關(guān)穩壓器的5 V輸出。這種情況會(huì )使LDO穩壓器的省電功能無(wú)效。

針對可變負載的省電

在負載可變的情況下，可以使用三個(gè)電阻對VIOC進(jìn)行編程，如圖8所示。這種配置可以通過(guò)設置電阻R1、R2和R3來(lái)對輸入到輸出壓差進(jìn)行編程。要正確調整這三個(gè)電阻的大小，請參閱LT3041數據手冊。雖然這種方法在省電方面不如將VIOC直接連接到開(kāi)關(guān)轉換器的反饋引腳那么有效，但對于具有可變負載的應用來(lái)說(shuō)仍然可靠。通過(guò)將電壓差編程為設定電壓，盡管輸出電壓可變，用戶(hù)仍能夠利用LDO穩壓器上的恒定壓降。圖8是帶有和不帶有這些電阻的可變負載場(chǎng)景的示例。

考慮圖9中的框圖，它表示一個(gè)LDO穩壓器，不使用VIOC對開(kāi)關(guān)轉換器進(jìn)行后置調節。開(kāi)關(guān)轉換器產(chǎn)生6.5 V輸出，LDO穩壓器產(chǎn)生5 V輸出。

圖9 無(wú)VIOC的5 V LDO穩壓器輸出

該系統導致LDO穩壓器上的壓降為1.5 V，功率損耗為1.5 W。由于負載可變，LDO穩壓器的輸出電壓會(huì )發(fā)生變化。在此示例中，LDO穩壓器的輸出電壓降至3.3 V，如圖10所示。

圖10 不使用VIOC的3.3 V輸出

新的3.3 V負載導致LDO穩壓器上的壓降為3.2 V，功率損耗為3.2 W，LDO穩壓器效率從79.9%降至50.8%。

相比之下，設置圖8所示的電阻可以消除可變負載下功耗和效率的波動(dòng)?？紤]先前的場(chǎng)景，如圖10所示，但LDO穩壓器使用VIOC，三個(gè)電阻將電壓差設置為1.5 V。開(kāi)關(guān)轉換器將輸出V_{OUT(SWITCHER)} = V_{DIFFERNTIAL(LDO)} + V_OUT(LDO)。當可變負載導致輸出電壓從5 V降至3.3 V時(shí)，開(kāi)關(guān)轉換器的輸出電壓降至4.8 V，而不是其編程設定的6.5 V輸出，如圖11所示。

圖11 使用VIOC的3.3 V輸出

圖8 可變負載電路配置

通過(guò)三個(gè)電阻對電壓差進(jìn)行編程，將LDO穩壓器上的壓降設置為恒定的1.5 V。對于1 A負載，LDO穩壓器會(huì )損失1.5 W的功率，而不是3.2 W的功率。借助VIOC和三個(gè)電阻，當負載電壓降至3.3 V時(shí)，LDO穩壓器可節省一倍以上的功耗。該連接使得3.3 V負載的效率達到68.8%，而對于相同的負載，之前場(chǎng)景的效率為50.8%。雖然這兩個(gè)系統提供相同的功率，但采用VIOC的LDO穩壓器供電效率更高。

結論

總體而言，使用VIOC的LDO穩壓器的性能優(yōu)于不使用VIOC的LDO穩壓器。具有VIOC功能的ADI超低噪聲LDO穩壓器實(shí)現了效率和輸出信號質(zhì)量的理想平衡。VIOC和LDO穩壓器PSRR的結合使LT3041成為一種兩用工具，既能處理高噪聲輸入，又能優(yōu)化系統效率。當負載變化時(shí)，VIOC引腳會(huì )自動(dòng)調整以?xún)?yōu)化系統。在所有條件下，使用VIOC的LDO穩壓器都被證明更優(yōu)越。它還提高了效率，降低了功耗。使用VIOC的LDO穩壓器與不使用VIOC的LDO穩壓器之間的主要區別在于VIOC引入的控制功能。通過(guò)自動(dòng)控制，LDO穩壓器可以對上游DC-DC轉換器進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調整，從而實(shí)現出色效率。自動(dòng)控制推動(dòng)ADI技術(shù)緊跟電源電路的遙測趨勢。隨著(zhù)人們越來(lái)越多地使用PMBus^?和其他方法收集數據以改善電源系統，VIOC提供了另一重自動(dòng)電源控制。

關(guān)于作者

Kristian Cruz曾加入ADI公司應屆大學(xué)畢業(yè)生輪換計劃。Kristian曾任職于核心應用部門(mén)，為客戶(hù)的技術(shù)咨詢(xún)提供支持，也曾任職于電源事業(yè)部。他現在是灣區銷(xiāo)售部的應用工程師。Kristian擁有加州州立理工大學(xué)圣路易斯奧比斯波校區電氣工程學(xué)士學(xué)位。