在LDO稳压器选型时这几个关键参数经常被忽视!

发表时间: 2024-06-02 18:12:58 作者: 工程案例

  大多数电子设备电源提供的电压都高于电子设备的典型工作电压。例如,计算机的电源通过适配器插入110 VAC/220 VAC壁式插座,其消耗的电流小于1A。在各种功率半导体执行一系列降压转换后,计算机的处理器最终可能在低于1VDC的电压下工作,但其峰值电流可能较高。在此类例子中,包含许多电压范围从低于1 V到12 V的不同内部电压轨。

  低压差稳压器通常称为,大范围的使用在各种电子应用,用于调节和控制从较高输入电压电源中输出的较低电压。虽然通常出现在电源管理教科书的起始章节,并且一般都认为这是一种格外的简单的器件,但在电路设计中选择LDO稳压器时,除了电压和电流额定值之外,还有一些技术特性也至关重要,而电路设计人员可能对此不甚了解。本文重点讨论LDO稳压器的低噪声要求,阐述了其他低噪声电源解决方案,并介绍了一些需要低噪声电源的关键应用。

  LDO稳压器很少直接从输入电源转化后连接到其他电路——大多数情况下,这种使用方式的功率损耗会非常大。相反,设计人员通常使用AC-DC或DC-DC开关稳压器。当电源(电池或AC)为开关稳压器供电时,电源本身可能有噪声,并且可能会引入电缆中或PCB上的辐射以及其他效应产生的外部噪声。更糟糕的是,这种开关稳压器从来不存在理想的开关器件,所有开关事件都会产生尖峰和振铃,最终会成为内部噪声。开关稳压器可能远离负载放置,沿着其路径可能会引入额外的外部噪声。

  由于LDO稳压器可提供较好的稳压性能并抑制输出纹波,或者电路中有几率存在多个负载,需要不同的电压,所以电路中通常都会添加LDO稳压器,用于降低稳压器输出电压并向负载供电。LDO稳压器将接收所有馈送至其输入端的噪声,并且本身也可能会产生噪声,如果不做处理,所有这些噪声都可能传递到负载(图1)。由于我们没办法预测噪声的频谱和幅度,所以噪声很难仿真,因此它可能会干扰非常敏感的负载电路(这就是为什么更换电源后,音响发烧友可以分辨出音质的差异)。其他典型的敏感负载电路可能包括:射频放大器、时钟和时序IC、SERDES、精密模拟和图像传感器,以及医疗设施、测试仪器、电信、汽车和数据中心中有几率存在的此类电路。

  电路设计人员采用多种不同方法来降低电源中的噪声。在稳压器前后添加铁氧体磁珠或低通滤波器有助于滤除高频噪声;然而,这些元件可能尺寸较大且很昂贵。如果设计人员在完成最初的原型设计后,发现需要添加此类滤波器,就会很棘手。

  一种有名的低噪声设计方法是使用ADI公司的Silent Switcher®开关稳压器。该产品系列所采用的降噪技术,对尺寸和效率都没影响,也没有过多的元件。该系列专有设计现已发展到第三代。第一代Silent Switcher 1产品使用一对极性相反的开关环路来抵消磁场。第二代集成了精密电源电容,消除了PCB布局敏感性。第三代融合了Silent Switcher 1产品的功能特性,提供低频超低噪声和超快瞬态响应性能。Silent Switcher稳压器可支持高达65 V的输入电压和高达30 A的负载电流,并提供降压、升压或降压-升压拓扑功能。

  另一种常用方法是使用低噪声LDO稳压器。典型框图如图2所示。低噪声LDO稳压器设计为精密电流基准,后接高性能电压缓冲器。此类器件具有以下三个主要特性:PSRR、总积分输出噪声和噪声谱密度。

  PSRR表示输入电压引起的输出电压波动(图3)。它在特定频率下以对数形式表示,并随不同负载和输入/输出电压而变化。本质上,我们不希望输入噪声出现在输出端,因此使用具有较高PSRR的LDO稳压器至关重要。由于高频PSRR能够最终靠在LDO稳压器前后添加小型低通滤波器来改善,因此在选择IC时应着重考虑较低频率下的PSRR。选择器件时,请记住每20 dB的差异会造成抑制纹波性能好100倍或差100倍。

  下一个重要的因素是噪声密度与频率的关系,如图4所示。有些与通信相关的应用对工作频谱有相关规定;因此,必须控制噪声才能通过认证测试。还有一些传感器应用,其中会检测和处理某一低频下的环境信号。因此,设计人员应检查目标频率周围的频谱噪声密度曲线。

  最后一个主要的因素是总输出噪声,它是在有限频率范围内累加的噪声谱密度的均方根值。对于模数或数模转换电路,LDO稳压器从DC到系统带宽的所有噪声都会累加在一起,从而影响系统精度。因此,总输出噪声对此类应用很重要。图5显示了 LT3045的积分输出噪声,它比锂离子电池更干净。

  几乎所有需要配备至少一个高级处理器和其他电路的应用,都需要出示包含多个输出轨的复杂电源。设计人员有多种方案可以再一次进行选择,例如PMIC(多路输出、单芯片)IC、多个单路输出稳压器或多个LDO稳压器。如果部分或全部输出轨需要低噪声,那么就很难做出明确的选择。

  从教科书中我们很容易了解到,开关稳压器通常比LDO稳压器效率更加高,而LDO稳压器电路更容易设计。在现实世界中,情况有点复杂。以ADI公司的 AD9162 为例。它是一款大范围的使用在电信和仪器仪表系统的IC。它总共需要10个电源轨,按照4:2:4的比例分为模拟电源、数字电源和SERDES电源。虽然其中一些电源轨可以合并,但我们至少需要六个电源。有必要注意一下的是,器件上的模拟1.2 V电源对噪声最为敏感,其次是模拟2.5 V和模拟-1.2 V电源。

  然而,如果所有电源轨均由Silent Switcher稳压器供电,那么系统尺寸和成本会略微较高。另一种方法是使用PMIC和反相稳压器作为第一级,该方法具备高效率、低成本、解决方案尺寸小和低噪声等所有优点。例如采用四路输出PMIC,如 LTM4644、LTC3370、ADP5054 (用于12 V总线 用于反相稳压器。然后,在除1.2 VVD之外的所有敏感电压轨上,每个输出轨后面都接有低噪声LDO稳压器(图6)。

  表1汇总列出了低噪声解决方案选型标准,供设计人员在设计时参考。一般而言,当输入源噪声很大、负载电流较低、需要超低输出纹波或需要超低噪声时,ADI公司建议使用超低噪声LDO稳压器。

  对于5 A+的负载电流,设计人员几乎都会首选低噪声PMIC或开关稳压器(尽管LDO稳压器也可以并联以支持高电流)。

  图5.积分输出噪声(10 Hz至100 kHz);低噪声LDO稳压器LT3045比电池更干净。

  ADI公司是低噪声LDO稳压器市场的领军企业,提供丰富的超低噪声LDO稳压器产品,该类产品额定电压范围为-20 V至+20 V,电流范围为100 mA至5 A。拥有数百个客户,以下是一些典型的应用示例:

  ■ 由于传感器信号处理要求超低噪声,一家著名的DSLR相机制造商选择低噪声LDO稳压器为其图像传感器供电

  ■ 亚马逊最畅销热像仪制造商之一选择低噪声LDO稳压器为其红外传感器供电,因为这种稳压器是市场上噪声很低的解决方案

  ■ 一家汽车一级高级驾驶员辅助系统(ADAS)客户选择低噪声LDO稳压器为其雷达和射频电路供电(ADI还为该客户提供符合AEC认证的完整电源解决方案)

  ■ 由于噪声低且解决方案尺寸很小,一家内窥镜客户选择了低噪声LDO稳压器

  ■ 一家半导体自动测试设备(ATE)客户选择ADI电源模块和LDO稳压器为其ASIC供电

  ■ 由于要求高PSRR和低纹波特性,一家流量计客户选择了低噪声LDO稳压器

  ■ 一家大规模MIMO客户选择低噪声LDO稳压器为其GaN功率放大器供电

  一般来说,低噪声电源对大多数敏感应用都至关重要。设计人员表示,他们更愿意默认选择低噪声电源IC,从而在设计中提供额外的裕量。如果您在设计中遇到任何干扰问题,也许首先应检查电源部分。

  ADI企业来提供各种超低噪声、超高PSRR LDO稳压器。ADI公司还设计和销售数百种其他LDO稳压器,这些稳压器具有高击穿电压、低静态电流、自适应引脚等不同特性,支持上游DC-DC跟踪LDO稳压器负载等。尽管如此,市场仍然需要性能更好、具有更多特性的LDO稳压器。还有客户真正的需求咱们提供噪声更低、多通道、具有数字配置能力、瞬态响应更快以及其他各种特性的LDO稳压器。虽然LDO稳压器看起来仍是一种简单的器件,但它永远都不可能消失,而且会像所有其他半导体器件一样不断演进。