LDO 穩(wěn)壓器綜合指南：應(yīng)對(duì)噪聲、危害、應(yīng)用和LDO發(fā)展趨勢(shì)

大多數(shù)電子設(shè)備的電源電壓都高于電子設(shè)備的典型工作電壓。例如，計(jì)算機(jī)的電源適配器插入 110 V AC /220 V AC壁式插座，消耗的電流不到 1 安培。在各種功率半導(dǎo)體執(zhí)行一系列降壓轉(zhuǎn)換后，計(jì)算機(jī)的處理器最終可以在 1 V DC以下工作，但峰值時(shí)可能會(huì)消耗許多安培。這些示例中有許多不同的內(nèi)部電壓軌，范圍從 1 V 以下到 12 V。

低壓差穩(wěn)壓器，通常稱為 LDO 穩(wěn)壓器，廣泛用于各種電子應(yīng)用中，以調(diào)節(jié)和控制由較高輸入電壓電源提供的較低輸出電壓。雖然 LDO 穩(wěn)壓器通常在任何電源管理教科書的開頭介紹，并且通常被認(rèn)為是一種非常簡單的設(shè)備，但電路設(shè)計(jì)人員可能不太了解選擇 LDO 穩(wěn)壓器時(shí)除了電壓和電流額定值之外的某些關(guān)鍵技術(shù)特性。本文重點(diǎn)討論 LDO 穩(wěn)壓器的低噪聲要求，解釋其他低噪聲電源解決方案，并介紹需要低噪聲電源的關(guān)鍵應(yīng)用。

噪音——其來源及處理方法

LDO 穩(wěn)壓器很少直接用于將電源連接到其他電路 — 在大多數(shù)情況下，功率損耗太大。相反，設(shè)計(jì)人員通常使用 AC-DC 或 DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器。當(dāng)電源(電池到 AC)為開關(guān)穩(wěn)壓器供電時(shí)，它可能會(huì)產(chǎn)生自己的噪聲，并可能拾取由電纜或 PCB 中的輻射和其他影響產(chǎn)生的外部噪聲。更糟糕的是，這種開關(guān)穩(wěn)壓器中永遠(yuǎn)沒有理想的開關(guān)，所有開關(guān)事件都會(huì)產(chǎn)生尖峰和振鈴，最終成為內(nèi)部噪聲。開關(guān)穩(wěn)壓器可能遠(yuǎn)離負(fù)載放置，可能會(huì)在其路徑上拾取額外的外部噪聲。

通常會(huì)添加一個(gè) LDO 穩(wěn)壓器來降低穩(wěn)壓器輸出并饋入負(fù)載，因?yàn)?LDO 穩(wěn)壓器可以提供更好的調(diào)節(jié)，抑制輸出紋波，或者可能有多個(gè)需要不同電壓的負(fù)載。LDO 穩(wěn)壓器將接收饋入其輸入的所有噪聲，并可能產(chǎn)生自己的噪聲，如果不加以處理，所有這些噪聲都可能傳遞到負(fù)載(圖 1)。由于很難模擬，我們無法預(yù)測(cè)噪聲的頻譜和幅度，它可能會(huì)干擾非常敏感的負(fù)載電路(這就是為什么發(fā)燒友在更換電源時(shí)可以分辨出音質(zhì)的差異)。其他典型的敏感負(fù)載電路可能包括射頻放大器、時(shí)鐘和定時(shí) IC、SERDES、精密模擬和圖像傳感器，以及可在醫(yī)療設(shè)備、測(cè)試儀器、電信、汽車和數(shù)據(jù)中心中找到的電路。

圖 1：電源中的噪聲(來源：ADI)

電路設(shè)計(jì)師采取了不同的方法來降低電源中的噪聲。在穩(wěn)壓器之前和之后添加鐵氧體磁珠或低通濾波器來過濾高頻噪聲是有幫助的;然而，它們可能體積龐大且價(jià)格昂貴。當(dāng)設(shè)計(jì)師在完成初始設(shè)計(jì)原型后發(fā)現(xiàn)需要這樣的濾波器時(shí)，這是非常痛苦的。

低噪聲設(shè)計(jì)的一個(gè)著名方法是使用 ADI 公司的 Silent Switcher®開關(guān)穩(wěn)壓器。該產(chǎn)品系列采用了降噪技術(shù)，同時(shí)又不影響尺寸、效率或過多的組件。該專有設(shè)計(jì)系列現(xiàn)已發(fā)展到第三代。第一代 Silent Switcher 1 產(chǎn)品使用一對(duì)極性相反的開關(guān)環(huán)路來消除磁場(chǎng)。第二代集成了精密電源電容器，消除了 PCB 布局敏感性。第三代包括 Silent Switcher 1 產(chǎn)品的功能，可在低頻下提供超低噪聲和超快瞬態(tài)響應(yīng)。Silent Switcher 穩(wěn)壓器可支持高達(dá) 65 V 的輸入電壓和高達(dá) 30 A 的負(fù)載電流，并提供降壓、升壓或降壓-升壓拓?fù)洹?

另一種常用方法是使用低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器。圖 2 顯示了典型的框圖。低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)為精密電流基準(zhǔn)，后接高性能電壓緩沖器。它們主要具有三個(gè)關(guān)鍵特征：PSRR、總集成輸出噪聲和噪聲頻譜密度。

PSRR 表示由輸入電壓引起的輸出電壓波動(dòng)(圖 3)。它在特定頻率下以對(duì)數(shù)形式表示，并隨負(fù)載和輸入/輸出電壓而變化。本質(zhì)上，由于我們不希望輸入噪聲反映在輸出端，因此使用高 PSRR 的 LDO 穩(wěn)壓器至關(guān)重要。由于可以通過在 LDO 穩(wěn)壓器前后添加小型低通濾波器來改善高頻 PSRR，因此在 IC 選擇中，較低頻率的 PSRR 更為重要。在選擇零件時(shí)，請(qǐng)記住，每 20 dB 的差異都會(huì)在抑制紋波方面好 100 倍或差 100 倍。

圖 2：典型的低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器框圖(來源：ADI)

圖 3：低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器的典型 PSRR(來源：ADI)

下一個(gè)重要的圖是噪聲密度與頻率的關(guān)系圖，如圖 4 所示。有些通信相關(guān)應(yīng)用對(duì)頻譜有規(guī)定;因此，必須控制噪聲才能通過認(rèn)證測(cè)試。還有一些傳感器應(yīng)用，其中環(huán)境信號(hào)在某個(gè)低頻下被感測(cè)和處理。因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)檢查感興趣頻率附近的頻譜噪聲密度曲線。

最后一個(gè)重要因素是總(積分)輸出噪聲，即有限頻率范圍內(nèi)積分的頻譜噪聲密度的均方根值。對(duì)于模數(shù)或數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，從 DC 到系統(tǒng)帶寬的所有 LDO 穩(wěn)壓器噪聲都集成在一起，影響系統(tǒng)精度。因此，總輸出噪聲對(duì)于此類應(yīng)用很重要。圖 5 顯示了LT3045的積分噪聲，它比鋰離子電池更安靜。

圖 4：噪聲密度與頻率的關(guān)系(來源：ADI)

妥協(xié)

對(duì)于幾乎所有需要至少一個(gè)高級(jí)處理器和其他電路的應(yīng)用，都需要包含多個(gè)輸出軌的復(fù)雜電源。在這里，設(shè)計(jì)人員可以從各種選項(xiàng)中進(jìn)行選擇，例如 PMIC(多輸出、單芯片)IC、多個(gè)單輸出穩(wěn)壓器或多個(gè) LDO 穩(wěn)壓器。如果這些輸出軌中的部分或全部都需要低噪聲，那么選擇就變得相當(dāng)不清楚。

從教科書中，我們很容易理解開關(guān)穩(wěn)壓器通常比 LDO 穩(wěn)壓器更高效，而且 LDO 穩(wěn)壓器電路更容易設(shè)計(jì)。但在現(xiàn)實(shí)世界中，這有點(diǎn)復(fù)雜。以 ADI 的AD9162為例。它是一種廣泛用于電信和儀器儀表系統(tǒng)的 IC。它總共需要 10 個(gè)電源軌，分為 4:2:4 的模擬電源、數(shù)字電源和 SERDES 電源。雖然可以將其中幾個(gè)電源軌組合起來，但我們至少需要六個(gè)電源。值得注意的是，模擬 1.2 V 是設(shè)備上對(duì)噪聲最敏感的電源，其次是模擬 2.5 V 和模擬 -1.2 V。

這里一種可能的方法是使用多個(gè) Silent Switcher 穩(wěn)壓器，例如最新發(fā)布的額定電壓為 18 V/2 A 的LT8622S或額定電壓為 5 V/3 A 的LTC3307B。它們最有可能滿足低噪聲要求，而無需添加外部濾波器。

但是，如果所有電源軌均由 Silent Switcher 穩(wěn)壓器供電，系統(tǒng)尺寸和成本會(huì)略高。另一種方法結(jié)合了高效率、低成本、小尺寸解決方案和低噪聲等所有優(yōu)點(diǎn)，即使用 PMIC 和反相穩(wěn)壓器作為第一級(jí)。一個(gè)例子是四路輸出 PMIC，如LTM4644、LTC3370、ADP5054(用于 12 V 總線)和LT8330 / ADP5073(用于反相穩(wěn)壓器)。然后，每個(gè)輸出軌后面都是低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器，所有敏感電壓軌上都配有低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器(1.2 VV?D除外)(圖 6)。

如果需要更高的電壓或更高的額定電流，ADI 還提供 Silent Switcher 四路輸出 PMIC，例如LT8692S、LT8686S、LT8685S和LT7200S 。

設(shè)計(jì)人員還可以考慮將低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器保持在 3.3 V I/O和 -1.2 V A上，并用四個(gè)單通道 Silent Switcher 穩(wěn)壓器替換 PMIC 和后續(xù) LDO 穩(wěn)壓器。

為了總結(jié)選擇標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)人員可以參考表 1 中的低噪聲解決方案。一般來說，當(dāng)輸入源噪聲很大、負(fù)載電流較低、需要最低輸出紋波或需要最低噪聲時(shí)，ADI 建議使用超低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器。

對(duì)于 5 A+ 的負(fù)載電流，設(shè)計(jì)師幾乎只青睞低噪聲 PMIC 或開關(guān)穩(wěn)壓器(盡管 LDO 穩(wěn)壓器也可以并聯(lián)以支持大電流)。

對(duì)于 2 A 至 5 A 的負(fù)載電流，每個(gè)設(shè)計(jì)人員可以自行選擇 LDO 穩(wěn)壓器(例如ADP7158 / ADP7159、LT3073、MAX38907)或各種 Silent Switcher 穩(wěn)壓器。

圖 5：集成輸出噪聲(10 Hz 至 100 kHz);低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器 LT3045 比電池更安靜(來源：ADI)

圖 6：為噪聲敏感型 DAC 供電的低噪聲電源解決方案(來源：ADI)

應(yīng)用程序

ADI 是低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器的市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者。在最近收購 Linear Technologies 和 Maxim Integrated 后，產(chǎn)品組合進(jìn)一步增強(qiáng)。ADI 現(xiàn)在擁有從 -20 V 到 +20 V 額定值、從 100 mA 到 5 A 的超低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器產(chǎn)品組合。

在數(shù)百家客戶中，列舉了一些典型的應(yīng)用示例：

· 一家著名的 DSLR 相機(jī)制造商選擇低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器為其圖像傳感器供電，因?yàn)樘幚韨鞲衅餍盘?hào)需要超低噪聲

· 亞馬遜最暢銷的熱像儀制造商選擇低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器為其紅外傳感器供電，因?yàn)樗鼈兪鞘袌?chǎng)上噪聲最低的解決方案

· 一家汽車一級(jí)供應(yīng)商、高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 客戶選擇低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器為其雷達(dá)和射頻電路供電(ADI 還為該客戶提供整套符合 AEC 標(biāo)準(zhǔn)的電源解決方案)

· 內(nèi)窺鏡客戶選擇了低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器，以實(shí)現(xiàn)低噪聲和小尺寸的解決方案

· 一家半導(dǎo)體自動(dòng)測(cè)試設(shè)備 (ATE) 客戶選擇 ADI 電源模塊和 LDO 穩(wěn)壓器為其 ASIC 供電

· 游戲耳機(jī)客戶選擇低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器為其音頻 DAC 供電

· 一家打印機(jī)客戶因低紋波要求而選擇了低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器

· 流量計(jì)客戶選擇低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器，因?yàn)樗哂懈?PSRR 和低紋波特性

· 一家大規(guī)模 MIMO 客戶選擇低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器為其 GaN 功率放大器供電

一般而言，低噪聲電源對(duì)于大多數(shù)敏感應(yīng)用至關(guān)重要，設(shè)計(jì)師告訴我們，他們寧愿默認(rèn)選擇低噪聲電源 IC，以便在設(shè)計(jì)中提供額外的裕度。如果您在設(shè)計(jì)中遇到任何干擾問題，也許可以先檢查一下電源。

先進(jìn) LDO 穩(wěn)壓器的未來

ADI 擁有各種超低噪聲、超高 PSRR LDO 穩(wěn)壓器。ADI 還設(shè)計(jì)和銷售數(shù)百種其他 LDO 穩(wěn)壓器，這些穩(wěn)壓器具有各種功能，如高擊穿電壓、低靜態(tài)電流和自適應(yīng)引腳，允許上游 DC-DC 跟蹤 LDO 穩(wěn)壓器負(fù)載等。盡管如此，市場(chǎng)仍然需要具有更多功能的更好的 LDO 穩(wěn)壓器。我們的客戶要求我們提供噪聲更低、多通道、數(shù)字可配置、更快瞬態(tài)響應(yīng)和各種創(chuàng)意的 LDO 穩(wěn)壓器。雖然它看起來仍然像一個(gè)簡單的設(shè)備，但 LDO 穩(wěn)壓器永遠(yuǎn)不會(huì)消失，并將像所有其他半導(dǎo)體一樣不斷發(fā)展。