從射頻信號完整性到電源完整性』每個(gè)VRM都是一種特殊的功率放大器（PA）

Qorvo首席系統工程師/高級管理培訓師 Masashi Nogawa 將通過(guò)《 從射頻信號完整性到電源完整性 》這一系列文章，與您探討射頻（RF）電源的相關(guān)話(huà)題，以及電源軌可能對噪聲敏感的RF和信號鏈應用構成的挑戰。本文將討論 VRM作為特殊功率放大器的工作原理及其與RF/信號鏈領(lǐng)域中的共通點(diǎn) 。

在射頻（RF）和信號鏈領(lǐng)域的 許多工程師將電壓調節模塊（VRM）系統視為“電源” ；而與他們的信號鏈電子元件截然不同。那么，就讓我們在RF/信號鏈工程師和電源技術(shù)工程師之間找到一些共通點(diǎn)。

當我們觀(guān)察VRM的結構時(shí)，從簡(jiǎn)單的線(xiàn)性調節器或LDO（低壓差線(xiàn)性穩壓器）到復雜的SMPS（開(kāi)關(guān)模式電源=開(kāi)關(guān)穩壓器），可以發(fā)現 其關(guān)鍵調節元件是負反饋回路中的誤差放大器（EA） （如圖1所示）。將我們的注意力聚焦于這個(gè)EA，可以追溯其正輸入端口至電壓基準“VREF”，并看到其負輸入端口通過(guò)必要的分壓電阻網(wǎng)絡(luò )連接到輸出電壓。反饋信號的微小變化會(huì )通過(guò)功率級對輸出進(jìn)行校正，因此從這個(gè)以EA為中心的視角來(lái)看， VRM只是一種特殊類(lèi)型的功率放大器 。

圖1，N-MOS LDO結構

VRM有何特別之處？

在RF或信號鏈中，幾乎所有的功率放大器（PA）都被期望將信號放大到更高的電壓/電流/功率水平，同時(shí)保持信號的波形（如圖2所示）。而VRM作為一種特殊的功率放大器，其設計目標是將其參考電壓“VREF”放大至恒定的輸出電壓水平。如果這個(gè)輸出電壓在變化條件下依然“堅如磐石”，VRM即被判定為“良好”。換句話(huà)說(shuō)， VRM只是產(chǎn)生恒定的直流偏置點(diǎn) ——這是RF和信號鏈工程師經(jīng)常使用的一個(gè)術(shù)語(yǔ)；其指代電源軌，無(wú)論是低壓還是高壓。如果VRM的電壓基準被一個(gè)信號調制，那么輸出端就會(huì )呈現更高等級的模擬量信號。當然，在使用VRM時(shí)，要特別注意避免基準上出現任何雜散信號，以確保輸出電壓恒定，并通過(guò)到EA的反饋信號來(lái)糾正出現的任何偏差。

圖2，與VRM相似的RF PA功率放大器

這種視角通過(guò)將VRM類(lèi)比為處理“信號”的放大器，使我們對其有了更好的理解。作為一種特殊的功率放大器，RF或信號鏈工程師所關(guān)注的所有問(wèn)題也都同樣適用于VRM?！癡RM就是功率放大器”這一說(shuō)法讓我們得出了一個(gè)直接而簡(jiǎn)單結論： 如果您的“VREF”移動(dòng)到不同的直流電平或有交流疊加，它就被視為需要放大的“信號”。

VRM只是按設計增益放大其“VREF”電壓。例如，許多輸入為5V或12V的降壓（buck）穩壓器使用0.8V的基準電壓產(chǎn)生3.3V的輸出，因此具有“x4.125”（= 3.3V / 0.8V）的增益。由于我們的VRM可視為“x4.125”增益的放大器，那么如果0.8V“VREF”出現0.5%的誤差會(huì )發(fā)生什么情況？ 0.8V“VREF”的0.5%誤差意味著(zhù)我們有4mV的誤差被放大“x4.125”倍 ，從而導致3.3V輸出中存在16.5mV的誤差，即目標輸出電壓的0.5%誤差。

當“VREF”在頻率域中變化時(shí)，審視其所造成的影響會(huì )變得十分有趣。

在本系列文章中，我們將 任何示例電路在1Hz或10Hz的響應視為直流行為 ，不再另行通知。

低頻如何被視為直流？

如今，電源管理IC中使用的硅技術(shù)已足夠快，可以將低于100Hz的任何信號視為“直流行為”，除非需要針對如此低的頻率進(jìn)行專(zhuān)門(mén)處理。這意味著(zhù)任何由一對電阻和電容元件構成的時(shí)間常數值都不會(huì )超過(guò)10毫秒。

如果我們VRM的“VREF”疊加了高頻白噪聲 ，例如頻率高達10MHz，那么它就會(huì )嘗試放大這個(gè)白噪聲作為其輸入信號（“VREF”作為“信號”進(jìn)入EA的正“+”輸入端）。請注意，我們在討論一種假設的VRM使用方式，在實(shí)際應用中并不可取。

那么，VRM是否會(huì )輸出高達10MHz的白噪聲呢？答案是“不會(huì )”。

在此，我們需要考慮VRM系統的負反饋控制環(huán)路帶寬（BW）。當VRM中形成負反饋環(huán)路，我們只有有限的平坦增益帶寬；而超過(guò)該頻率點(diǎn)后，增益會(huì )遵循其增益帶寬乘積特性而下降。作為一個(gè)PA，我們的VRM可以根據這個(gè)增益曲線(xiàn)放大“VREF白噪聲”。因此，以下論斷適用于本系列文章的全部?jì)热荩?nbsp;“在其反饋控制帶寬之外，VRM能夠為您帶來(lái)的效能也愈發(fā)微弱” 。

VRM的增益帶寬乘積特性

此仿真示例展示了VRM作為PA的增益帶寬（圖3）；相關(guān)參數和數據源自圖4所示的仿真電路圖。

*此仿真文件可從GitHub上的Qorvo代碼庫下載。

圖3，典型的LDO增益帶寬圖

圖4，用于生成圖3的仿真模型原理圖

這款P-FET LDO模型比較了其“ 開(kāi)環(huán)增益 ”和“ 閉環(huán)增益 ”。該LDO設計為具有5V輸出和內部0.5V基準電壓（VREF）；因此從VREF電壓的角度來(lái)看，它成為一個(gè)“x10”的放大器。 當我們將其視為VREF的“x10”放大器時(shí)，AC模擬源“Vac”與VREF串聯(lián)。 盡管我們將其標記為“Vac”，但也可以將之視為添加到VREF上的噪聲源；這與本文上一節的內容一致。

“電感電容對”（“Lopen”、“Copen”）用于開(kāi)啟/關(guān)閉環(huán)路 。當 x=0 時(shí)，環(huán)路處于“關(guān)閉”狀態(tài)，Rfb與Rg并聯(lián)后的反饋信號不經(jīng)濾波，直接發(fā)送到誤差放大器“A1”。當 x=1 時(shí)，環(huán)路處于“開(kāi)啟”狀態(tài)，反饋信號會(huì )先經(jīng)過(guò)一個(gè)高效的低通濾波器；誤差放大器“A1”只設定直流偏置點(diǎn)。

在頻域中， 一旦任何信號、噪聲，或任何動(dòng)態(tài)信號超出了全增益帶寬，相位響應下降，VRM的響應就會(huì )越來(lái)越弱 ……最終無(wú)法作為PA而發(fā)揮任何作用。

很多工程師期望他們的VRM在環(huán)路帶寬之外能有更好的表現。例如，許多IC供應商會(huì )展示他們LDO器件在很高頻率下的PSRR特性。對于一款非常優(yōu)秀的LDO器件，其 環(huán)路帶寬可達1MHz或略高 ，而一旦超過(guò)這個(gè)頻率點(diǎn)，LDO便不再產(chǎn)生響應。在PSRR曲線(xiàn)上，超出帶寬的部分實(shí)際上反映了輸出電容的性能；而即使我們關(guān)閉LDO，在這個(gè)單位增益頻率點(diǎn)之后仍然會(huì )得到相同的PSRR曲線(xiàn)。

這一討論的另一面是，您的VRM確實(shí)會(huì )放大這種“白噪聲VREF”到其帶寬極限； 這一現象被稱(chēng)為“VRM自產(chǎn)”噪聲 。這個(gè)故事聽(tīng)起來(lái)與RF或信號鏈應用中關(guān)于“低噪聲放大器（LNA）”的討論頗為相似，實(shí)則有所區別。如前所述，這種帶噪聲的“VREF”是電壓調節放大器輸出的有效輸入，VRM被迫按照其增益去放大VREF電壓。相比之下，LNA的噪聲被定義為通過(guò)短接其正負輸入端而添加到輸出端的非強制性噪聲。當您的VRM輸出高電壓軌時(shí)，這種差異會(huì )被極大放大。以1.2V基準電壓塊為基礎的24V輸出VRM相當于一個(gè)x20的增益放大器，或者說(shuō)是x20增益的“VREF噪聲放大器”。在這種情況下，我們可以得出一個(gè)簡(jiǎn)單的經(jīng)驗法則： 如果可能的話(huà)，應使用盡可能高的基準電壓來(lái)避免“VREF噪聲放大效應”。

以 Qorvo的ACT40850 為例，其有效降低了作為功率放大器的VRM增益；該產(chǎn)品在設計上采用了4V基準電壓，并經(jīng)過(guò)卓越的噪聲過(guò)濾，以實(shí)現20至55V的輸出（圖5）。

圖5，Qorvo ACT40850 VRM輸出噪聲