在許多應(yīng)用中，工程師將開關(guān)DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器（“開關(guān)穩(wěn)壓器”）與低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）組合在一起。這種混合電源是最大化電池壽命的好方法，同時保持適用于具有敏感模擬電路的電池供電產(chǎn)品的無噪聲電壓。

然而，“無噪聲”只是一個相對的因?yàn)榧词故亲詈玫腖DO也會產(chǎn)生一些噪聲。許多工程師認(rèn)為LDO輸出端的噪聲僅僅是其電源抑制比（PSRR）的函數(shù)。當(dāng)與開關(guān)穩(wěn)壓器串聯(lián)使用時，PSRR確實(shí)可以很好地衡量LDO處理開關(guān)穩(wěn)壓器輸出中的電壓和電流紋波的程度 - 但PSRR不應(yīng)該是選擇LDO的唯一標(biāo)準(zhǔn)。

LDO內(nèi)部元件產(chǎn)生多種內(nèi)部噪聲源，更糟糕的是，其中一些是頻率相關(guān)的。正是這種PSRR和內(nèi)部噪聲的結(jié)合決定了LDO輸出的穩(wěn)定性。

本文解釋了如何將開關(guān)穩(wěn)壓器與LDO相結(jié)合，可以成為連接的無線便攜式產(chǎn)品的良好解決方案，然后引出以解釋為什么工程師分析LDO的數(shù)據(jù)表以確保其來自電源的總噪聲仍然在最終產(chǎn)品規(guī)范內(nèi)的重要性。

LDO和開關(guān)穩(wěn)壓器的比較

電池供電的便攜式設(shè)備需要電壓調(diào)節(jié)，以確保最大限度地延長電池壽命，并為敏感硅提供所需的精確和不變電壓。此外，調(diào)節(jié)可確保電源能夠應(yīng)對各種負(fù)載，而不會使電池過載。

電壓調(diào)節(jié)可歸結(jié)為兩種選擇，即LDO或開關(guān)穩(wěn)壓器。 LDO是優(yōu)雅的設(shè)備，相對便宜，緊湊，并提供“干凈”的功率（但不完全純凈，我們將在下面討論）。任何有能力的電子工程師都可以使用商用模塊化LDO和三個外部無源元件設(shè)計(jì)電源。此外，還有大量高度可靠的LDO可供選擇。例如，凌力爾特公司歷史悠久的LT1084是在20年前開發(fā)出來的，現(xiàn)在仍然可以使用。

線性穩(wěn)壓器的缺點(diǎn)是在很寬的電壓范圍內(nèi)缺乏效率，而且限制降壓（或者“降壓”）配置。

LDO的基本前提是使用包括參考電壓，誤差放大器，以線性模式工作的場效應(yīng)晶體管（FET）和電阻分壓器的反饋環(huán)路。當(dāng)電阻分壓器設(shè)置輸出電壓時，F(xiàn)ET使LDO無論負(fù)載如何都能提供恒定的輸出電壓。誤差電路確保輸出保持在所需的電壓。圖1顯示了LDO的簡化原理圖。

圖1：LDO的基本元素。 （德州儀器公司提供）

LDO的效率與輸入和輸出電壓之差成正比;差異越小，設(shè)備的效率越高。功率在FET和電阻分壓器上消耗，LDO兩端的大電壓差可能導(dǎo)致熱量積聚，這對緊湊型便攜式設(shè)備來說是一個挑戰(zhàn)。

當(dāng)電池電壓下降到LDO無法再保持所需輸出并“掉電”的水平時，這個電平被稱為輟學(xué)電壓。較高規(guī)格的器件可以承受比較便宜的器件更低的跌落電壓。例如，凌力爾特公司的LT3070 LDO - 從0.95到3 V輸入，在高達(dá)5 A時產(chǎn)生0.8到1.8 V輸出 - 具有僅85 mV的壓差。盡管如此，即使是最好的LDO也可能會掉電，而電池中仍有一些容量存在，從而縮短了電池的使用壽命。

開關(guān)穩(wěn)壓器是在20世紀(jì)60年代推出的，其主要優(yōu)點(diǎn)是在寬電壓范圍內(nèi)具有高效率和負(fù)載范圍。低負(fù)載時的效率是早期設(shè)備的問題，但主要通過“脈沖跳躍”技術(shù)解決（參見TechZone文章“脈沖頻率調(diào)制對DC/DC開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢”）。

開關(guān)穩(wěn)壓器使用一個或兩個FET，但與LDO不同，這些操作 - 如產(chǎn)品描述所示 - 在開關(guān)模式下工作。當(dāng)FET導(dǎo)通并傳導(dǎo)電流時，其功率路徑上的電壓降最小。當(dāng)FET關(guān)閉并阻斷高壓時，幾乎沒有電流通過其電源路徑。這些特性確保了調(diào)節(jié)器中耗散的功率非常小，從而提高了效率?，F(xiàn)代12 VIN，3.3 VOUT同步開關(guān)降壓穩(wěn)壓器，例如International Rectifier（IR）IR3898，通?？蓪?shí)現(xiàn)超過90％的效率（相比之下，在相同條件下運(yùn)行的LDO為27.5％）。

與LDO一樣，飛思卡爾，Maxim，安森美半導(dǎo)體和德州儀器（TI）等主要供應(yīng)商提供大量開關(guān)電源。

開關(guān)穩(wěn)壓器的缺點(diǎn)是尺寸（雖然功率密度優(yōu)于LDO），成本，設(shè)計(jì)復(fù)雜性和噪聲。最后兩項(xiàng)是相關(guān)的，因?yàn)榇蟛糠衷O(shè)計(jì)復(fù)雜性與電感選擇有關(guān)，并且輸入和輸出濾波電路的設(shè)計(jì)需要確保紋波的峰峰值受到限制。明智地選擇電感和其他無源元件可能會限制輸出電壓和電流紋波，但某些電磁干擾（EMI）是不可避免的（參見TechZone文章“電容選擇是良好電壓調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵”）。

現(xiàn)代人對高頻開關(guān)電源的偏好加劇了設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。通過以更高的頻率操作，電源可以使用更小的電感器，從而減小其尺寸和成本。然而，高頻操作使EMI問題更難解決（參見TechZone文章“選擇高頻開關(guān)穩(wěn)壓器時的設(shè)計(jì)權(quán)衡”）。

開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的EMI可能會擾亂其他組件，特別是在便攜式產(chǎn)品中，設(shè)備密集且印刷電路板（PCB）走線很短。更糟糕的是 - 考慮到越來越多的設(shè)計(jì)工程師熱衷于將RF芯片集成到他們的最新產(chǎn)品中以賦予其無線連接性 - 雜散EMI增加了設(shè)計(jì)強(qiáng)大RF電路的難度。

第三種選擇

許多有進(jìn)取心的工程師通過鏈接切換輸出來創(chuàng)建混合電源拓?fù)?，而不是接受通過選擇LDO或開關(guān)穩(wěn)壓器引入的妥協(xié)。直接調(diào)節(jié)到LDO的輸入端。

開關(guān)穩(wěn)壓器可接受各種輸入電壓，并可有效調(diào)節(jié)到更高，更低或更高的電源。此外，如果開關(guān)器件的輸出（即輸入到LDO）設(shè)置為僅略大于電源所需的輸出，則LDO可以在其最有效的范圍內(nèi)連續(xù)工作。

這種混合電源背后的關(guān)鍵前提是LDO濾波開關(guān)穩(wěn)壓器受紋波影響的穩(wěn)壓輸出，消除了潛在的EMI問題，并避免了長時間精煉PCB設(shè)計(jì)和計(jì)算輸出電感和電容值的要求 - 濾波器電路（如果開關(guān)調(diào)節(jié)器單獨(dú)使用的話就是這種情況）。其他優(yōu)勢包括具有更高穩(wěn)定性，更高精度，更快瞬態(tài)響應(yīng)和更低輸出阻抗的電源（請參閱TechZone文章“混合電源為敏感電路提供無噪聲電壓”）。

不幸的是，事情比選擇兩個穩(wěn)壓器并將它們連接在一起要復(fù)雜得多。

控制噪聲

衡量LDO平滑能力的一個指標(biāo)開關(guān)電源的電壓和電流紋波是PSRR。 PSRR量化了LDO在寬頻率范圍內(nèi)濾波器輸入紋波（在這種情況下是開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出）的精確度，并以分貝（dB）表示。 （工程師應(yīng)注意PSRR響應(yīng)根據(jù)紋波頻率而變化。確保開關(guān)穩(wěn)壓器的工作頻率與LDO的最佳PSRR頻率響應(yīng)相匹配或至少接近，這一點(diǎn)非常重要。）

許多工程師得出結(jié)論認(rèn)為，只要PSRR良好，那么混合動力電源就可以了。情況并非如此，因?yàn)槿缟纤?，LDO包括電壓基準(zhǔn)，F(xiàn)ET，電阻和其他外部電路，這些外部電路獨(dú)立于PSRR引入額外的（而非無關(guān)緊要的）噪聲（見圖2）。具有良好PSRR但高自激噪聲的LDO對于從混合電源產(chǎn)生清潔電壓來說是不好的選擇。因此，工程師檢查入圍設(shè)備數(shù)據(jù)表中的PSRR和內(nèi)部噪聲參數(shù)非常重要。

圖2：來自線性穩(wěn)壓器的噪聲包括外部噪聲，內(nèi)部噪聲以及拒絕后遺留的噪聲。 （由Texas Instruments提供）

圖1中的簡化框圖顯示了在LDO中產(chǎn)生主要噪聲的元件，特別是溫度補(bǔ)償電壓基準(zhǔn)（“帶隙”），電阻分壓器，運(yùn)算放大器的輸入級和FET的輸入級較小。

帶隙是噪聲的主要來源。降低噪聲的一種方法是降低LDO內(nèi)誤差放大器的帶寬。這確實(shí)有降低器件瞬態(tài)響應(yīng)的缺點(diǎn)?；蛘?，可以通過在帶隙輸出端添加一個包含大內(nèi)部電阻和外部電容的大型低通濾波器（LPF）來消除這種噪聲，這樣很少有噪聲進(jìn)入增益級（同樣的）過濾器也改善了PSRR）。

電阻分壓網(wǎng)絡(luò)是LDO整體噪聲的另一個因素。這種噪音本質(zhì)上是熱的，因此隨著溫度的升高而增加。電阻分壓器連接到LDO差分放大器的輸入端，將噪聲放大一定量，與調(diào)節(jié)器的閉環(huán)增益成比例。

差分放大器本身是產(chǎn)生噪聲的最終重要來源由LDO提供。放大器通常設(shè)計(jì)為輸入級具有大量增益。因此，來自位于輸入級之后的信號路徑中的器件的任何噪聲在被返回到輸入時被輸入級的增益衰減。內(nèi)部電路之外沒有任何東西可以降低來自此源的噪聲。

所有主要噪聲源（帶隙，電阻分壓器和運(yùn)算放大器輸入級）都連接到輸入因此，差分放大器不會被任何內(nèi)部增益衰減。有些令人驚訝的是，功率通過FET通常占LDO總裸片面積的至少一半，由于缺乏增益，因此不會產(chǎn)生太大的噪聲。

估算輸出的過程來自給定LDO的噪聲首先將每個噪聲貢獻(xiàn)者引用到運(yùn)算放大器輸入。例如，為了從傳輸FET中找到噪聲，工程師首先需要將其噪聲貢獻(xiàn)除以它與運(yùn)算放大器輸入之間存在的開環(huán)增益。這種增益通常非常大，確保傳輸FET的噪聲貢獻(xiàn)通?？梢院雎圆挥?jì)。

許多工程師選擇不從頭開始設(shè)計(jì)LDO，而是選擇廣泛的成熟模塊化解決方案可用。盡管如此，確定模塊化LDO將為混合電源增加多少噪聲仍然非常重要。

雖然LDO的制造商經(jīng)常試圖將PSRR作為噪聲抑制的關(guān)鍵性能指標(biāo)，但通過仔細(xì)閱讀數(shù)據(jù)表的小字，工程師將找到有關(guān)器件本身產(chǎn)生多少噪聲的信息。相關(guān)頻率范圍。

此信息通常以兩種方式表示。第一個是總（集成）輸出噪聲（μVRMS），它是在有限頻率范圍內(nèi)積分的頻譜噪聲密度的RMS值。第二個是以頻譜噪聲密度曲線（μV/√Hz）的形式說明的，它是噪聲密度與頻率的關(guān)系圖。圖3顯示了德州儀器（TI）TPS717xx系列線性穩(wěn)壓器數(shù)據(jù)表中的信息。例如，TPS71733可在高達(dá)6.5 V的輸入電壓下提供3.3 V，150 mA輸出，在100 Hz至100 kHz范圍內(nèi)的噪聲等級為30μVRMS。

圖3：TI TPS717xx LDO數(shù)據(jù)表中的PSRR，總輸出噪聲和頻譜噪聲密度曲線。

由于單個數(shù)字指定總輸出噪聲電壓，因此對于比較目的非常有用。但是，當(dāng)比較不同LDO的噪聲規(guī)格時，重要的是要在相同的頻率范圍和相同的輸出電壓和電流值下進(jìn)行比較。

低噪聲LDO

< p>市場上有一些噪聲極低的LDO。例如，凌力爾特公司的LT3090--在1.5至36 V電源下提供高達(dá)600 mA的0至32 V輸出 - 噪聲水平為18μVRMS（見圖4）。

圖4：凌力爾特公司的低噪聲LT3090 LDO。

Maxim的MAX8510可以產(chǎn)生多達(dá)10個電壓輸出，范圍為1.5至4.5 V，輸入電壓高達(dá)6 V時最高120 mA。器件的噪聲額定值為11μVRMS，100 Hz至100千兆范圍。

飛兆半導(dǎo)體公司提供FAN25800，在10 Hz至100 kHz范圍內(nèi)的噪聲等級為8μVRMS。 LDO工作在高達(dá)5.5 V的輸入電壓下，提供高達(dá)250 mA的2.8 V輸出。

PSRR和LDO噪聲是選擇混合器LDO時需要考慮的重要規(guī)格-電源。在比較器件時，選擇具有良好PSRR的產(chǎn)品以及考慮相關(guān)開關(guān)穩(wěn)壓器工作的頻率范圍非常重要，以確保其與LDO的最佳PSRR一致。但是，考慮LDO本身產(chǎn)生的噪聲同樣重要。如果輸出電源被LDO自身內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲破壞，選擇能夠平滑開關(guān)穩(wěn)壓器的電壓和電流紋波的器件幾乎沒有意義。