理解線性穩(wěn)壓器噪聲的混合電源

在許多應用中，工程師團隊一個開關DC-DC電壓轉換器(“開關穩(wěn)壓器”)與低輟學線性穩(wěn)壓器(LDO)。這樣的混合供電是一種很好的方式，以最大限度地延長電池壽命，同時保持適用于敏感的模擬電路電池供電產(chǎn)品的無噪聲電源。

但是，“無噪聲”只是相對而言的，因為再好的低壓降穩(wěn)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(shù)。當在一系列具有開關調(diào)節(jié)器中使用，PSRR確實是如何在LDO涉及在開關穩(wěn)壓器的輸出上的電壓和電流波動的良好量度 - PSRR但不應該在其上的LDO被選擇的唯一標準。

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

本文介紹了如何結合的LDO可以為連接，無線便攜產(chǎn)品很好的解決的開關穩(wěn)壓器，進而導致在解釋為什么該工程師分析LDO的數(shù)據(jù)表，以確保它是非常重要的，它從電力供應仍然整體噪音內(nèi)的最終產(chǎn)品規(guī)范。

LDO和開關穩(wěn)壓器相比，

電池供電的便攜式設備需要的電壓調(diào)節(jié)，以確保兩個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(guī)定確保了電源可以對應于寬的負載范圍內(nèi)，而不過度受電池。

電壓調(diào)節(jié)歸結為兩個選擇，一個LDO或一個開關調(diào)節(jié)器。低壓降穩(wěn)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。任何一個合格的電子工程師可以設計使用商用模塊化LDO，只是三個外部無源元件的電源。此外，還有一個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，開發(fā)二十年前，今天仍然是可用的。

線性穩(wěn)壓器的缺點是缺乏在寬電壓范圍內(nèi)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反饋回路，包括一個基準電壓，誤差放大器，一個場效應晶體管(FET)以線性模式操作時，和一個電阻分壓器。而電阻分壓器設定的輸出電壓時，F(xiàn)ET使LDO無論負載，以提供一個恒定的輸出電壓。誤差電路確保輸出被維持在所期望的電壓。圖1示出的LDO的簡化示意圖。

德州儀器LDO示意圖像

圖1：一個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，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(xiàn)在緊湊便攜式一個挑戰(zhàn)。

在達到某一程度時，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”。這一級被稱為釋放電壓。更高規(guī)格的設備會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(nèi)，減少潛在的電池壽命。

開關穩(wěn)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題，但已基本得到解決與“脈沖跳躍”技術(見技術專區(qū)文章“的脈沖頻率調(diào)制的DC / DC開關電壓轉換器的優(yōu)勢”)。

開關穩(wěn)壓器使用一個或兩個FET，但不像在LDO，這些操作 - 作為產(chǎn)品說明建議 - 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關閉和阻塞高壓，幾乎沒有電流通過它的電源通路。這些特性保證很少的電力消耗在穩(wěn)壓器提高工作效率。一個現(xiàn)代的12 VIN，3.3 VOUT同步 - 開關降壓穩(wěn)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(wěn)壓器，還有種類繁多的開關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)。

的開關穩(wěn)壓器的缺點是尺寸(雖然功率密度優(yōu)于的LDO)，成本，設計復雜，和噪聲。最后兩個數(shù)據(jù)項都相關的，因為大部分的設計的復雜性有關，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(見技術專區(qū)的文章“電容的選擇是關鍵，以良好的電壓調(diào)節(jié)器設計”)。

該設計挑戰(zhàn)是由現(xiàn)代偏好高頻開關電源而加劇。通過在更高的頻率下操作，電源可以利用較小的電感器(多個)減少其尺寸和成本。然而，高頻率操作，使電磁干擾問題更加難以解決(見技術專區(qū)的文章“設計折衷選擇高頻開關穩(wěn)壓器時”)。

由開關調(diào)節(jié)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)品與無線連接賦予它的增長的隊列----流浪EMI增加設計穩(wěn)健RF電路的難度。

第三個選項

而不接受通過選擇一個LDO或開關調(diào)節(jié)器引入的妥協(xié)，許多進取工程師已經(jīng)由一個開關調(diào)節(jié)器的輸出直接鏈接到LDO的輸入創(chuàng)建混合電源拓撲。

開關穩(wěn)壓器接受寬范圍的輸入電壓，并有效地調(diào)節(jié)到一個更高，更低，或倒置的供應。另外，如果開關裝置的輸出(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(xù)在其最有效的范圍內(nèi)工作。

這種混合供給背后的關鍵前提是在LDO過濾開關穩(wěn)壓器的紋波影響調(diào)節(jié)的輸出，從而消除潛在的EMI問題并避免了要求花費時間長煉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，如果開關調(diào)節(jié)器被用在其自身)。其他優(yōu)點還包括電源，具有改善了穩(wěn)定性，精確度更高，更快的瞬態(tài)響應，并降低了輸出阻抗(見技術專區(qū)的文章“混合電源交付無噪聲電壓的敏感電路”)。

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

控制噪音

的LDO的平滑開關電源的電壓和電流紋波能力的衡量標準是PSRR。 PSRR量化LDO的過濾器從它的輸入如何波紋(在這種情況下，開關調(diào)節(jié)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(jù)脈動頻率的PSRR響應而變化。以確保該開關穩(wěn)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，那么一切都會好起來的混合電源。這不是這種情況，因為，如上所述，包括的LDO電壓基準，場效應晶體管，電阻器，和其它外部電路會引入額外的(和不顯著)噪聲獨立地PSRR的(見圖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)生一個干凈的電壓一個糟糕的選擇。因此，重要的是對入圍的設備的數(shù)據(jù)表的工程師同時檢查PSRR和內(nèi)部噪聲參數(shù)。

德州儀器噪聲線性穩(wěn)壓器圖片

圖2：從線性穩(wěn)壓器的噪聲包括外部噪聲，內(nèi)部噪聲，并且拒絕后遺留下來的。 (德州儀器提供)