LDO的運(yùn)行困境:低裕量和最小負(fù)載

基于深亞微米工藝的新型千兆級(jí)模擬電路需要的電源電壓越來越低，在某些情況下要低于1 V。這些高頻電路通常需要較大的電源電流，因此，熱管理可能會(huì)變得困難。設(shè)計(jì)目標(biāo)是將功耗降至電路性能所必需的水平。

開關(guān)式DC-DC轉(zhuǎn)換器可提高電源效率，有些器件的效率可超過95%，但是以增加電源噪聲為代價(jià)，通常在較寬帶寬范圍內(nèi)都存在噪聲問題。低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)常用于清除供電軌中的噪聲，但也需要進(jìn)行一些權(quán)衡考量，其功耗會(huì)增加系統(tǒng)的熱負(fù)載。為了緩解這些問題，使用LDO時(shí)，可使輸入和輸出電壓之間存在較小的壓差（裕量電壓）。本文旨在討論低裕量電壓對(duì)電源抑制和總輸出噪聲的影響。

LDO電源抑制與裕量

LDO電源抑制比(PSRR)與裕量電壓高度相關(guān)——裕量電壓指輸入與輸出電壓之差。對(duì)于固定裕量電壓，PSRR隨著負(fù)載電流的增加而降低；大負(fù)載電流和小裕量電壓條件下尤其如此。圖1顯示了超低噪聲、2.5V線性穩(wěn)壓器ADM7160在200 mA負(fù)載電流和200 mV、300 mV、500 mV和1 V裕量電壓條件下的PSRR。隨著裕量電壓的減小，PSRR也會(huì)減小，壓差可能變得非常大。例如，在100 kHz下，裕量電壓從1 V變?yōu)?00 mV，將會(huì)使PSRR減少5 dB。然而，裕量電壓的較小變化，從500 mV變?yōu)?00 mV，會(huì)導(dǎo)致PSRR下降18 dB以上。

圖1 ADM7160 PSRR與裕量

圖2顯示了LDO的框圖。隨著負(fù)載電流的增加，PMOS調(diào)整元件的增益會(huì)減小，隨后脫離飽和狀態(tài)進(jìn)入三極工作區(qū)。這會(huì)使總環(huán)路增益減小，從而導(dǎo)致PSRR下降。裕量電壓越小，增益降幅越大。隨著裕量電壓繼續(xù)減小，會(huì)達(dá)到一個(gè)點(diǎn)，在該點(diǎn)控制環(huán)路的增益降至1，PSRR降至0 dB。

導(dǎo)致環(huán)路增益減小的另一個(gè)因素是調(diào)整元件的電阻，包括FET的導(dǎo)通電阻、片內(nèi)互連電阻和焊線電阻?？梢愿鶕?jù)壓差推算出該電阻。例如，采用WLCSP封裝的ADM7160在200 mA下的最大壓差為200 mV。利用歐姆定律，調(diào)整元件的電阻約為1 Ω。調(diào)整元件可近似為一個(gè)固定電阻加上可變電阻。

流過該電阻的負(fù)載電流會(huì)導(dǎo)致與FET的漏源工作電壓之間產(chǎn)生壓差。例如，在1 Ω FET條件下，200 mA的負(fù)載電流會(huì)使漏源電壓下降200 mV。在估算裕量為500 mV或1 V的LDO的PSRR時(shí)，必須考慮調(diào)整元件上的壓差，因?yàn)檎{(diào)整FET的工作電壓實(shí)際上只有300 mV或800 mV。

圖2 低壓差穩(wěn)壓器的框圖

容差對(duì)LDO裕量的影響

客戶通常會(huì)要求應(yīng)用工程師幫助他們選擇合適的LDO，以便在負(fù)載電流為Z時(shí)，從輸入電壓Y產(chǎn)生低噪聲電壓X，但當(dāng)設(shè)置這些參數(shù)時(shí)，往往會(huì)忽略的一個(gè)因素是輸入和輸出電壓的容差。隨著裕量電壓值變得越來越小，輸入和輸出電壓的容差會(huì)極大地影響工作條件。輸入和輸出電壓的最差條件容差始終會(huì)導(dǎo)致裕量電壓下降。例如，最差條件下的輸出電壓可能高1.5%，輸入電壓可能低3%。當(dāng)通過一個(gè)3.8 V源驅(qū)動(dòng)3.3 V的穩(wěn)壓器時(shí)，最差條件下的裕量電壓為336.5 mV，遠(yuǎn)低于預(yù)期值500 mV。在最差條件負(fù)載電流為200 mA時(shí)，調(diào)整FET的漏源電壓只有136.5 mV。在這種情況下，ADM7160在10mA時(shí)的PSRR可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于標(biāo)稱值他，即55 dB。

壓差模式下LDO的PSRR

客戶經(jīng)常向應(yīng)用工程師請(qǐng)教LDO在壓差模式下的PSRR。起初，這似乎是個(gè)合理的問題，但只要看看簡(jiǎn)化的框圖，就知道這個(gè)問題毫無意義。當(dāng)LDO工作在壓差模式時(shí)，調(diào)整FET的可變電阻部分為零，輸出電壓等于輸入電壓減去通過調(diào)整FET的RDSON的負(fù)載電流而引起的壓降。LDO不進(jìn)行調(diào)節(jié)，也沒有用來抑制輸入噪聲的增益；它僅充當(dāng)一個(gè)電阻。FET的RDSON與輸出電容形成RC濾波器，可提供少量的殘余PSRR，但簡(jiǎn)單的電阻或鐵氧體磁珠可以更經(jīng)濟(jì)有效地完成同一任務(wù)。

在低裕量工作模式下維持性能

在低裕量工作模式下，需要考慮裕量電壓對(duì)PSRR的影響，否則將導(dǎo)致輸出電壓噪聲水平高于預(yù)期的情況。數(shù)據(jù)手冊(cè)中通常會(huì)提供PSRR與裕量電壓的關(guān)系曲線，如圖3所示，其可用來確定給定條件下可能的噪聲抑制程度。

圖3 PSRR與裕量電壓的關(guān)系

然而，通過展示LDO的PSRR是如何有效濾除源電壓中的噪聲，可以很容易地看到這種信息的利用價(jià)值。下圖顯示了LDO在不同裕量電壓下工作時(shí)，對(duì)總輸出噪聲的影響。

圖4展示的是2.5 V ADM7160在500 mV裕量和100 mA負(fù)載條件下，相對(duì)于E3631A臺(tái)式電源的輸出噪聲，該臺(tái)式電源在20 Hz至20 MHz范圍內(nèi)的額定噪聲低于350 μV-rms。1 kHz以下的許多雜散都是與60 Hz線路頻率整流相關(guān)的諧波。10 kHz以上的寬雜散來自產(chǎn)生最終輸出電壓的DC-DC轉(zhuǎn)換器。1 MHz以上的雜散源于環(huán)境中與電源噪聲不相關(guān)的RF源。在10 Hz至100 kHz范圍內(nèi)，這些測(cè)試所用電源的實(shí)測(cè)噪聲為56 μV rms，含雜散為104 μV-rms。LDO抑制電源上的所有噪聲，輸出噪聲約為9 μV-rms。

圖4 ADM7160噪聲頻譜密度（裕量為500 mV）

當(dāng)裕量電壓降至200 mV時(shí)，隨著高頻PSRR接近0 dB，100 kHz以上的噪聲雜散開始穿過噪底。噪聲略升至10.8 μV rms。隨著裕量降至150 mV，整流諧波開始影響輸出噪聲，即輸出噪聲上升至12 μV rms。在大約250 kHz處出現(xiàn)幅度適中的峰值，因此，盡管總噪聲的增加量并不大，但敏感電路也可能受到不利影響。隨著裕量電壓進(jìn)一步下降，性能將會(huì)受到影響，與整流相關(guān)的雜散開始在噪聲頻譜中顯現(xiàn)出來。圖5所示為100-mV裕量條件下的輸出。噪聲已上升至12.5 μV rms。諧波所含能量很少，因此，雜散噪聲僅略有增加，為12.7 μV rms。

圖5 ADM7160噪聲頻譜密度（裕量為100 mV）

當(dāng)裕量為75 mV時(shí)，輸出噪聲受到嚴(yán)重影響，整個(gè)頻譜中都會(huì)出現(xiàn)整流諧波。Rms噪聲升至18 μV rms，噪聲加雜散升至27 μV rms。由于LDO環(huán)路無增益，并充當(dāng)一個(gè)無源RC濾波器，因此超過~200 kHz的噪聲會(huì)被衰減。當(dāng)裕量為65 mV時(shí)，ADM7160采用壓差工作模式。如圖6所示，ADM7160的輸出電壓噪聲實(shí)際上與輸入噪聲相同。rms噪聲為53 μV rms，噪聲加雜散為109 μV rms。因?yàn)?strong>LDO充當(dāng)一個(gè)無源RC濾波器，所以超過~100 kHz的噪聲會(huì)被衰減。

圖6 ADM7160在壓差模式下的噪聲頻譜密度

高PSRR、超低噪聲LDO

ADM7150超低噪聲、高PSRR調(diào)節(jié)器等新型LDO實(shí)際上級(jí)聯(lián)了兩個(gè)LDO，因此，得到的PSRR約為單級(jí)PSRR之和。這些LDO要求略高的裕量電壓，但能夠在1 MHz時(shí)實(shí)現(xiàn)超過60 dB的PSRR，在較低頻率下實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)超100dB的PSRR。

圖7所示為5 V ADM7150的噪聲頻譜密度，其負(fù)載電流為500 mA，裕量為800 mV。10 Hz至100 kHz范圍內(nèi)，輸出噪聲為2.2 μV rms。隨著裕量降至600 mV，整流諧波開始顯現(xiàn)，輸出噪聲升至2.3 μV rms，其對(duì)噪聲的影響很小。

圖7 ADM7150噪聲頻譜密度（裕量為800-mV）

如圖8所示，當(dāng)裕量為500 mV時(shí)，整流諧波和12 kHz的峰值清晰可見。輸出電壓噪聲升至3.9 μV rms。

圖8 ADM7150噪聲頻譜密度（裕量為500-mV）

當(dāng)裕量為350 mV時(shí)，LDO采用壓差工作模式。此時(shí)，LDO再也不能調(diào)節(jié)輸出電壓，其作用類似于電阻，輸出噪聲升至近76 μV rms，如圖9所示。輸入噪聲僅通過FET的RDSON和輸出端電容形成的極點(diǎn)來衰減。

圖9 ADM7150在壓差模式下的噪聲頻譜密度

結(jié)論

現(xiàn)代LDO越來越多地用于清除供電軌中的噪聲，這些供電軌通常采用在較寬頻譜下會(huì)產(chǎn)生噪聲的開關(guān)穩(wěn)壓器來實(shí)現(xiàn)。開關(guān)穩(wěn)壓器以高效率創(chuàng)建這些電壓軌，但高能耗LDO既會(huì)減少噪聲，也會(huì)導(dǎo)致效率下降。因此，應(yīng)盡量降低LDO的工作裕量電壓。

如前所述，LDO的PSRR是負(fù)載電流和裕量電壓的函數(shù)，會(huì)隨負(fù)載電流的增加或裕量電壓的減少而減少，因?yàn)樵谡{(diào)整管的工作點(diǎn)從飽和工作區(qū)移至三極工作區(qū)時(shí)，環(huán)路增益會(huì)下降。

考慮到輸入源噪聲特性、PSRR和最差條件容差，設(shè)計(jì)人員可同時(shí)優(yōu)化功耗和輸出噪聲，為敏感型模擬電路構(gòu)建高效的低噪聲電源。

裕量電壓非常低時(shí)，輸入和輸出電壓的最差條件容差可能會(huì)對(duì)PSRR產(chǎn)生影響。在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮最差條件容差可以確保設(shè)計(jì)的魯棒性，否則，得到的電源解決方案將具有較低的PSRR，其總噪聲也會(huì)高于預(yù)期。

參考資料

線性穩(wěn)壓器

Morita, Glenn. “可調(diào)節(jié)輸出低壓差穩(wěn)壓器的降噪網(wǎng)絡(luò)?！薄赌M對(duì)話》，第48卷，第1期，2014年。

Morita, Glenn.“低壓差穩(wěn)壓器—為什么選擇旁路電容很重要?！薄赌M對(duì)話》，第45卷，第1期，2011年。

Morita, Glenn.AN-1120應(yīng)用筆記。低壓差(LDO)穩(wěn)壓器的噪聲源。ADI公司，2011年。

關(guān)于作者

Glenn Morita，1976年畢業(yè)于華盛頓州立大學(xué)，獲得電氣工程學(xué)士(BSEE)學(xué)位。隨即加入Texas Instruments公司，期間參與研發(fā)旅行者號(hào)太空探測(cè)用紅外分光儀。之后，Glenn一直從事儀器儀表、軍用和航空航天以及醫(yī)療行業(yè)的裝置設(shè)計(jì)工作。2007年，他加入ADI公司，成為華盛頓州貝爾維尤電源管理產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)的一名應(yīng)用工程師。他擁有25年以上的線性和開關(guān)模式電源設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，所設(shè)計(jì)電源的功率范圍從微瓦到千瓦不等。Glenn擁有兩項(xiàng)利用體熱能量給植入式心臟除顫器供電方面的專利，以及另外一項(xiàng)延長(zhǎng)外部心臟除顫器電池使用壽命的專利。閑暇時(shí)，他喜歡收集礦石、雕琢寶石、攝影和逛國(guó)家公園。