【導(dǎo)讀】本文探討了開關(guān)穩(wěn)壓器的各種噪聲源及其對不同模擬信號鏈器件的影響。文章重點介紹了幾種噪聲抑制策略，包括使用低壓差(LDO)穩(wěn)壓器作為有效的后置調(diào)節(jié)濾波器。文章還展示了ADI公司的一系列解決方案，不僅能夠優(yōu)化不同負(fù)載條件和輸出電壓下的LDO效率，而且具備良好的電源噪聲抑制性能。其中一種解決方案提供了一種新的方法，使LDO可以控制由電流基準(zhǔn)架構(gòu)的開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的裕量。
引言
設(shè)計高效且低噪聲的電源解決方案，對于利用高性能模擬信號鏈的噪聲敏感型系統(tǒng)至關(guān)重要。然而，對于不同的系統(tǒng)和頻率范圍，噪聲敏感度有所不同。有些應(yīng)用（如超聲成像）特別容易受到低頻或1/f噪聲的影響。采用高性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)則很容易受到互調(diào)失真的影響，其中基頻輸出紋波可與載波信號相互作用，產(chǎn)生和差量。這些多余的頻率邊帶分量可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的信噪比(SNR)和無雜散動態(tài)范圍(SFDR)顯著下降。此外，電磁干擾(EMI)也是一個關(guān)鍵因素，尤其是在必須遵守嚴(yán)格EMI標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證條件的系統(tǒng)中。
圖1顯示了典型降壓調(diào)節(jié)器工作在穩(wěn)態(tài)脈寬調(diào)制(PWM)模式下的噪聲頻譜。
此外，基頻紋波及其諧波會在整個噪聲譜中引入強雜散能量。基頻紋波是指開關(guān)穩(wěn)壓器輸出端存在的殘余交流電壓。它與穩(wěn)壓器的開關(guān)操作具有相干性，其基頻與轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率一致。這種偽像可能通過調(diào)制模擬輸入載波而顯著影響數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，產(chǎn)生不必要的邊帶，從而降低SFDR和SNR性能，如圖3所示。
圖1.降壓調(diào)節(jié)器輸出頻譜
典型降壓調(diào)節(jié)器通常會產(chǎn)生低頻寬帶噪聲，此噪聲主要源自基準(zhǔn)電壓源的噪聲。這可能導(dǎo)致敏感RF器件（例如集成壓控振蕩器(VCO)的寬帶鎖相環(huán)(PLL)頻率合成器）出現(xiàn)相位噪聲問題，如圖2所示。
圖2.集成VCO的寬帶PLL頻率合成器的相位噪聲
圖3.16位、125 MSPS高速ADC快速傅立葉變換
第三種噪聲涉及高頻諧波，這些諧波源于開關(guān)節(jié)點的電壓振鈴。這種振鈴由快速開關(guān)變換(di/dt)和穩(wěn)壓器輸入環(huán)路內(nèi)寄生電感共同引起，如圖4所示。這會進一步加劇EMI和信號完整性問題，并可能通過寄生方式耦合到穩(wěn)壓器的輸出端。
解決噪聲問題
Silent Switcher? 3 (SS3)架構(gòu)有效解決了低頻噪聲（特別是1/f噪聲）問題，在此區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)了出色的低噪聲表現(xiàn)。
圖4.降壓調(diào)節(jié)器的輸入電流環(huán)路和開關(guān)節(jié)點電壓波形
基頻紋波可通過多種技術(shù)來減輕。一種方法是使用RC濾波器，這種方法設(shè)計簡單，但也存在一定的局限性。為了實現(xiàn)足夠低的3 dB截止頻率，以便有效衰減紋波，需要一個大電容(C)和一個小電阻(R)。然而，這種配置可能會由于串聯(lián)電阻而產(chǎn)生相當(dāng)大的功率損失，導(dǎo)致其在許多應(yīng)用中效率較低。不過，在電源電流相對較低的情況下，這可能是可接受的。雖然衰減斜率限制為20 dB/十倍頻程，但這種方法的一個關(guān)鍵優(yōu)勢是它不需要任何磁元件。
LC濾波器也是一種常見且高效的方法。截止頻率通常設(shè)計為比開關(guān)頻率低至少一個數(shù)量級。其衰減斜率更陡，達到40 dB/十倍頻程，因此衰減效果更好。然而，LC濾波器的設(shè)計需要特別小心，尤其要注意諧振效應(yīng)：在特定頻率時，它可能意外放大噪聲，而不是衰減噪聲。這兩種無源濾波器方法都會影響電壓輸出精度和瞬態(tài)性能。圖5展示了開關(guān)穩(wěn)壓器輸出級后布置的RC和LC濾波器。
圖5.RC和LC無源濾波器
具有高增益帶寬積(GBW)的LDO可以有效抑制兆赫茲范圍內(nèi)的基頻紋波，同時實現(xiàn)出色的低噪聲表現(xiàn)。然而，必須仔細(xì)權(quán)衡各種利弊，例如保持足夠的電源電壓抑制比(PSRR)和整體效率。相較于無源濾波器，將LDO用作后置調(diào)節(jié)級的方案更具優(yōu)勢，包括更高的輸出電壓精度和更好的瞬態(tài)響應(yīng)性能。為了實現(xiàn)良好的解決方案，務(wù)必仔細(xì)平衡VIN - VOUT裕量與LDO的PSRR特性。高頻諧波（通常在100 MHz及以上的范圍內(nèi)）可通過鐵氧體磁珠來有效衰減。這些元件在目標(biāo)高頻下表現(xiàn)出電阻特性，因此非常適合抑制這種高頻噪聲。但需要注意的是，鐵氧體磁珠也會帶來一些復(fù)雜問題，例如諧振效應(yīng)和不同負(fù)載條件下的阻抗變化。設(shè)計過程中必須仔細(xì)評估這些因素。
為了實現(xiàn)出色的高頻噪聲表現(xiàn)，可以采用Silent Switcher架構(gòu)。這些設(shè)計通過顯著降低開關(guān)節(jié)點的高頻振鈴來使EMI最小化，從而成為適合噪聲敏感型應(yīng)用的高度穩(wěn)健解決方案。
開關(guān)穩(wěn)壓器利用LDO來增強輸出噪聲性能
LDO通常放置在開關(guān)穩(wěn)壓器之后，用于后置調(diào)節(jié)，以濾除某些頻率范圍內(nèi)的噪聲偽像。LDO在抑制低頻（最高數(shù)百千赫茲）噪聲方面通常非常有效。高增益帶寬的LDO（如LT3045）將此能力擴展到兆赫茲范圍，提供優(yōu)越的PSRR性能。該器件是一款20 V、500 mA的高性能、超低噪聲、超高PSRR穩(wěn)壓器，非常適合對噪聲敏感的應(yīng)用。與無源濾波器相比，LDO具備若干優(yōu)勢，包括更高的輸出電壓精度、增強的穩(wěn)定性和優(yōu)越的瞬態(tài)響應(yīng)。
LDO用作后置調(diào)節(jié)濾波器時，關(guān)鍵參數(shù)之一是PSRR。PSRR衡量的是穩(wěn)壓器在一系列頻率下，能夠在多大程度上有效抑制或衰減輸入電源噪聲，防止噪聲傳播到輸出端并影響電壓完整性。
然而，PSRR與負(fù)載電流和裕量電壓（輸入電壓與輸出電壓之差）都有關(guān)。負(fù)載電流是影響LDO誤差放大器開環(huán)增益的關(guān)鍵因素，因此會直接影響PSRR性能。在輕載條件下，調(diào)整元件表現(xiàn)出更高的阻抗，使得其與輸出電容形成的極點偏移至較低頻率。這種偏移會增強LDO有效抑制電源紋波的能力。
而在重載條件下，誤差放大器的輸出阻抗降低，開環(huán)增益也隨之降低。增益的降低導(dǎo)致PSRR下降，尤其是在DC與反饋環(huán)路的單位增益帶寬之間的頻率范圍內(nèi)。
隨著裕量的減少，誤差放大器的增益會降低，這種效應(yīng)在負(fù)載電流提高時表現(xiàn)更明顯。因此，PSRR性能在這些情況下會下降。
LDO作為后置調(diào)節(jié)濾波器非常有效，但其性能與電壓裕量和負(fù)載電流密切相關(guān)，因此必須對這兩項參數(shù)進行精細(xì)控制。雖然增加裕量可以改善電源紋波抑制，但這也會導(dǎo)致功耗升高，效率降低，尤其是在負(fù)載電流較高的情況下。系統(tǒng)設(shè)計人員可以在有效的噪聲濾波和足夠的電壓裕量之間找到平衡點，以維持高效率。這種平衡是實現(xiàn)整體設(shè)計的性能和節(jié)能目標(biāo)的關(guān)鍵。
圖6.功能框圖
ADI優(yōu)化效率和PSRR性能的方法
ADI提供差異化解決方案，將開關(guān)穩(wěn)壓器與LDO結(jié)合作為后置調(diào)節(jié)濾波器，具有自適應(yīng)裕量控制功能，可實現(xiàn)效率和電源噪聲抑制的平衡。
其中一種方法基于負(fù)載電流的動態(tài)變化。低噪聲微功耗管理IC ADP5003在轉(zhuǎn)換的第一級集成了高效率3 A降壓調(diào)節(jié)器，其后是超低噪聲3 A LDO，用來消除開關(guān)紋波和噪聲。它提供一種自適應(yīng)裕量控制配置，能夠在最小化噪聲的同時，提升效率和散熱性能，因而適用于高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和RF收發(fā)器。圖6所示為ADP5003自適應(yīng)裕量控制的功能框圖。
在自適應(yīng)模式下，LDO會根據(jù)自身的負(fù)載電流，在內(nèi)部調(diào)節(jié)降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，從而動態(tài)調(diào)整其裕量。這樣可確保實現(xiàn)良好的效率和噪聲表現(xiàn)。另外，ADP5003也可在獨立模式下運行。在該模式下，降壓轉(zhuǎn)換器和LDO分別獨立工作，輸出電壓通過外部電阻分壓器單獨設(shè)置。
圖7顯示了整個LDO負(fù)載電流范圍內(nèi)的自適應(yīng)裕量控制。x軸是負(fù)載電流，y軸是LDO的裕量電壓。
圖7.自適應(yīng)模式裕量與負(fù)載電流的關(guān)系
自適應(yīng)裕量控制模式下的裕量方案配置為在不同負(fù)載條件下保持一致的PSRR，同時提升系統(tǒng)整體效率，如圖8所示。
圖8.LDO PSRR與頻率的關(guān)系
另一種方法基于VOUT的動態(tài)變化。電壓輸入到輸出控制(VIOC)是ADI公司某些LDO的一個關(guān)鍵特性。它通過自動調(diào)整開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出來維持規(guī)定的裕量電壓，從而提升系統(tǒng)效率。雖然VIOC不會自動選擇最佳PSRR，但用戶可以手動定義裕量電壓，為特定應(yīng)用實現(xiàn)期望的PSRR性能。
以LT3045-1為例，該器件具有VIOC特性，是一款20 V、500 mA的超低噪聲、超高PSRR線性穩(wěn)壓器。圖9展示了一個典型VIOC應(yīng)用，它被用于對LT8608降壓調(diào)節(jié)器的輸出進行后置調(diào)節(jié)。VIOC電壓配置為1 V，LDO的最大輸入電壓限制為16.5 V。其中還展示了如何使用電阻分壓器來輕松配置輸入到輸出差模電壓，使設(shè)計人員能夠根據(jù)特定應(yīng)用要求調(diào)整PSRR和功耗之間的平衡。
利用帶電流基準(zhǔn)架構(gòu)的開關(guān)穩(wěn)壓器實現(xiàn)簡便的LDO裕量控制
電流基準(zhǔn)架構(gòu)是一種設(shè)計方法，它將精密電流源，而非傳統(tǒng)的基準(zhǔn)電壓源，用作調(diào)節(jié)輸出電壓的核心元件。它具有單位增益誤差放大器，輸出電壓可通過單一電阻輕松設(shè)置。這種方法在線性穩(wěn)壓器中特別有利，并且越來越多地用于開關(guān)轉(zhuǎn)換器，以滿足高性能應(yīng)用的需求。圖10中的降壓型IC就采用了這種架構(gòu)。
圖9.典型的LT3045-1后置調(diào)節(jié)應(yīng)用
圖10.降壓型IC的電流源基準(zhǔn)架構(gòu)
ADI公司的多款線性穩(wěn)壓器采用了電流基準(zhǔn)架構(gòu)，例如LT3080和LT3045，實現(xiàn)了高精度和低噪聲。LT3080是一款可調(diào)1.1 A低壓差穩(wěn)壓器，內(nèi)置精密電流源和電壓跟隨器，可支持需要大電流和輸出調(diào)節(jié)能力（可調(diào)至0 V）的應(yīng)用。高集成度開關(guān)轉(zhuǎn)換器，例如58 V、4 A降壓型μModule?穩(wěn)壓器LTM4653和基于SS3(第三代低噪音)技術(shù)的穩(wěn)壓器，通過采用電流基準(zhǔn)架構(gòu)來提升低噪聲性能并降低EMI，同時保持高效率和小尺寸。
電流基準(zhǔn)架構(gòu)的優(yōu)勢如下：
輸出可調(diào)節(jié)到0 V，這在使用傳統(tǒng)基準(zhǔn)電壓的情況下很難實現(xiàn)。
簡化輸出電壓設(shè)置，因為它使用單一電阻，而非傳統(tǒng)基準(zhǔn)電壓所需的兩個電阻。節(jié)省元件數(shù)量和空間。
在整個輸出電壓范圍內(nèi)性能一致，因為它以單位增益工作，無論輸出電壓如何，它都能確保穩(wěn)定的帶寬和瞬態(tài)響應(yīng)。
憑借ADI的先進SS3技術(shù)，輸出噪聲（0.1 Hz到100 kHz）在整個輸出電壓范圍內(nèi)始終保持較低水平，確保無論輸出電壓電平如何，性能都很穩(wěn)定。
通常，具有VIOC功能的LDO不能與SS3開關(guān)穩(wěn)壓器搭配使用，因為SS3穩(wěn)壓器沒有常規(guī)FB引腳。圖11顯示了一種新架構(gòu)，它使用電流源基準(zhǔn)開關(guān)穩(wěn)壓器，根據(jù)開關(guān)穩(wěn)壓器SET引腳和LDO輸出之間的電阻生成輸出電壓。
圖11.利用電流源基準(zhǔn)和LDO進行裕量控制的降壓調(diào)節(jié)器框圖
借助具有電流源基準(zhǔn)特性的DC-DC轉(zhuǎn)換器，可以巧妙高效地實現(xiàn)類似于先進LDO的VIOC特性的功能。在此設(shè)置中，第一級開關(guān)轉(zhuǎn)換器使用其SET引腳處的電流源基準(zhǔn)，并通過一個電阻將其連接到第二級LDO的輸出電壓，從而實現(xiàn)動態(tài)裕量控制并改善噪聲性能。
結(jié)語
開關(guān)穩(wěn)壓器的噪聲可能以不同方式影響模擬信號鏈器件，具體取決于每個器件對哪種頻率最敏感。根據(jù)系統(tǒng)需要處理的特定頻率范圍，我們可以應(yīng)用不同的濾波技術(shù)來消除噪聲的影響。使用LDO是另一種有效方法，但需要仔細(xì)權(quán)衡PSRR與電壓裕量；電壓裕量決定器件的效率，尤其是在動態(tài)輸出電壓或負(fù)載條件變化的情況下。
第二部分將重點介紹如何通過電流基準(zhǔn)DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計來優(yōu)化LDO電壓裕量控制。文章將涉及實際的實現(xiàn)方案、電路仿真和性能評估，并重點說明噪聲敏感型應(yīng)用的關(guān)鍵考慮因素。
參考文獻
1 Aldrick Limjoco和Jefferson Eco，“鐵氧體磁珠揭秘”，《模擬對話》，第50卷，2016年2月。
2 Glenn Morita，“理解低壓差穩(wěn)壓器(LDO)，實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計”，模擬對話，第48卷，2014年12月。
3 Yu Lu和Hugh Yu，“低噪聲Silent Switcher μModule和LDO穩(wěn)壓器有助于改善超聲噪聲和圖像質(zhì)量”，《模擬對話》，第56卷，2022年4月。
作者簡介
Kyosuke Shimo于2022年作為應(yīng)屆畢業(yè)生加入ADI日本公司，目前在工業(yè)客戶解決方案部擔(dān)任現(xiàn)場應(yīng)用工程師。他負(fù)責(zé)為電源產(chǎn)品提供技術(shù)支持，并與客戶緊密合作，解決技術(shù)挑戰(zhàn)和提出創(chuàng)新解決方案。Kyosuke曾在東京都立產(chǎn)業(yè)技術(shù)高等專門學(xué)校(KOSEN)學(xué)習(xí)電氣和電子工程，于2022年獲得東京都立大學(xué)碩士學(xué)位。他相信，無論是電路設(shè)計還是咖喱烹飪，“SPICE”都是關(guān)鍵。
Ino Lorenz Ardiente目前在ADI菲律賓公司的電源解決方案部擔(dān)任電源架構(gòu)工程師。他擁有馬尼拉市立大學(xué)（Pamantasan ng Lungsod ng Maynila）電子工程學(xué)士學(xué)位和馬普阿大學(xué)電力電子研究生文憑。2025年加入ADI之前，他在高功率AC-DC和DC-DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計、測試和評估方面擁有6年多的從業(yè)經(jīng)驗。
Aldrick S. Limjoco目前在ADI菲律賓公司的電源解決方案部擔(dān)任高級經(jīng)理兼電源架構(gòu)師。自2006年加入ADI以來，他一直專注于電源管理領(lǐng)域，并擔(dān)任過多種工程職務(wù)，涵蓋設(shè)計評估、產(chǎn)品應(yīng)用和應(yīng)用研究等方面。Aldrick目前擁有三項美國專利，已撰寫/合作撰寫關(guān)于開關(guān)穩(wěn)壓器輸出紋波測量技術(shù)、新型低紋波電源應(yīng)用技術(shù)和鐵氧體磁珠復(fù)雜性等主題的技術(shù)文章。他擁有愛爾蘭利默里克大學(xué)工程碩士學(xué)位和菲律賓馬尼拉德拉薩大學(xué)電子工程學(xué)士學(xué)位。
