在許多應用中，工程師將開關DC-DC電壓轉換器（“開關穩(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”只是一個相對的因為即使是最好的LDO也會產(chǎn)生一些噪聲。許多工程師認為LDO輸出端的噪聲僅僅是其電源抑制比（PSRR）的函數(shù)。當與開關穩(wěn)壓器串聯(lián)使用時，PSRR確實可以很好地衡量LDO處理開關穩(wěn)壓器輸出中的電壓和電流紋波的程度 - 但PSRR不應該是選擇LDO的唯一標準。

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的。正是這種PSRR和內(nèi)部噪聲的結合決定了LDO輸出的穩(wěn)定性。

本文解釋了如何將開關穩(wěn)壓器與LDO相結合，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和開關穩(wěn)壓器的比較

電池供電的便攜式設備需要電壓調節(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，調節(jié)可確保電源能夠應對各種負載，而不會使電池過載。

電壓調節(jié)可歸結為兩種選擇，即LDO或開關穩(wěn)壓器。 LDO是優(yōu)雅的設備，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計電源。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晶體管（FET）和電阻分壓器的反饋環(huán)路。當電阻分壓器設置輸出電壓時，F(xiàn)ET使LDO無論負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致熱量積聚，這對緊湊型便攜式設備來說是一個挑戰(zhàn)。

當電池電壓下降到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。

開關穩(wěn)壓器是在20世紀60年代推出的，其主要優(yōu)點是在寬電壓范圍內(nèi)具有高效率和負載范圍。低負載時的效率是早期設備的問題，但主要通過“脈沖跳躍”技術解決（參見TechZone文章“脈沖頻率調制對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，但與LDO不同，這些操作 - 如產(chǎn)品描述所示 - 在開關模式下工作。當FET導通并傳導電流時，其功率路徑上的電壓降最小。當FET關閉并阻斷高壓時，幾乎沒有電流通過其電源路徑。這些特性確保了調節(jié)器中耗散的功率非常小，從而提高了效率。現(xiàn)代12 VIN，3.3 VOUT同步開關降壓穩(wěn)壓器，例如International Rectifier（IR）IR3898，通?？蓪崿F(xiàn)超過90％的效率（相比之下，在相同條件下運行的LDO為27.5％）。

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

開關穩(wěn)壓器的缺點是尺寸（雖然功率密度優(yōu)于LDO），成本，設計復雜性和噪聲。最后兩項是相關的，因為大部分設計復雜性與電感選擇有關，并且輸入和輸出濾波電路的設計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節(jié)器設計的關鍵”）。

現(xiàn)代人對高頻開關電源的偏好加劇了設計挑戰(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“選擇高頻開關穩(wěn)壓器時的設計權衡”）。

開關穩(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計工程師熱衷于將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增加了設計強大RF電路的難度。

第三種選擇

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

開關穩(wěn)壓器可接受各種輸入電壓，并可有效調節(jié)到更高，更低或更高的電源。此外，如果開關器件的輸出（即輸入到LDO）設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鍵前提是LDO濾波開關穩(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設計和計算輸出電感和電容值的要求 - 濾波器電路（如果開關調節(jié)器單獨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雜得多。

控制噪聲

衡量LDO平滑能力的一個指標開關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穩(wěn)壓器的輸出）的精確度，并以分貝（dB）表示。 （工程師應注意PSRR響應根據(jù)紋波頻率而變化。確保開關穩(wěn)壓器的工作頻率與LDO的最佳PSRR頻率響應相匹配或至少接近，這一點非常重要。）

許多工程師得出結論認為，只要PSRR良好，那么混合動力電源就可以了。情況并非如此，因為如上所述，LDO包括電壓基準，F(xiàn)ET，電阻和其他外部電路，這些外部電路獨立于PSRR引入額外的（而非無關緊要的）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，特別是溫度補償電壓基準（“帶隙”），電阻分壓器，運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。這確實有降低器件瞬態(tài)響應的缺點?；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，這樣很少有噪聲進入增益級（同樣的）過濾器也改善了PSRR）。

電阻分壓網(wǎng)絡是LDO整體噪聲的另一個因素。這種噪音本質上是熱的，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。放大器通常設計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者引用到運算放大器輸入。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除以它與運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的噪聲貢獻通?？梢院雎圆挥?。

許多工程師選擇不從頭開始設計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作為噪聲抑制的關鍵性能指標，但通過仔細閱讀數(shù)據(jù)表的小字，工程師將找到有關器件本身產(chǎn)生多少噪聲的信息。相關頻率范圍。

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10個電壓輸出，范圍為1.5至4.5 V，輸入電壓高達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5.5 V的輸入電壓下，提供高達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)品以及考慮相關開關穩(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，選擇能夠平滑開關穩(wěn)壓器的電壓和電流紋波的器件幾乎沒有意義。