无线便携式产品的开关稳压器与LDO结合解决方案

在许多应用中，工程师将开关DC-DC电压转换器（“开关稳压器”）与低压差线性稳压器（LDO）组合在一起。这种混合电源是最大化电池寿命的好方法，同时保持适用于具有敏感模拟电路的电池供电产品的无噪声电压。

然而，“无噪声”只是一个相对的因为即使是最好的LDO也会产生一些噪声。许多工程师认为LDO输出端的噪声仅仅是其电源抑制比（PSRR）的函数。当与开关稳压器串联使用时，PSRR确实可以很好地衡量LDO处理开关稳压器输出中的电压和电流纹波的程度 - 但PSRR不应该是选择LDO的唯一标准。

LDO内部元件产生多种内部噪声源，更糟糕的是，其中一些是频率相关的。正是这种PSRR和内部噪声的结合决定了LDO输出的稳定性。

本文解释了如何将开关稳压器与LDO相结合，可以成为连接的无线便携式产品的良好解决方案，然后引出以解释为什么工程师分析LDO的数据表以确保其来自电源的总噪声仍然在最终产品规范内的重要性。

LDO和开关稳压器的比较

电池供电的便携式设备需要电压调节，以确保最大限度地延长电池寿命，并为敏感硅提供所需的精确和不变电压。此外，调节可确保电源能够应对各种负载，而不会使电池过载。

电压调节可归结为两种选择，即LDO或开关稳压器。 LDO是优雅的设备，相对便宜，紧凑，并提供“干净”的功率（但不完全纯净，我们将在下面讨论）。任何有能力的电子工程师都可以使用商用模块化LDO和三个外部无源元件设计电源。此外，还有大量高度可靠的LDO可供选择。例如，凌力尔特公司历史悠久的LT1084是在20年前开发出来的，现在仍然可以使用。

线性稳压器的缺点是在很宽的电压范围内缺乏效率，而且限制降压（或者“降压”）配置。

LDO的基本前提是使用包括参考电压，误差放大器，以线性模式工作的场效应晶体管（FET）和电阻分压器的反馈环路。当电阻分压器设置输出电压时，FET使LDO无论负载如何都能提供恒定的输出电压。误差电路确保输出保持在所需的电压。图1显示了LDO的简化原理图。

图1：LDO的基本元素。 （德州仪器公司提供）

LDO的效率与输入和输出电压之差成正比;差异越小，设备的效率越高。功率在FET和电阻分压器上消耗，LDO两端的大电压差可能导致热量积聚，这对紧凑型便携式设备来说是一个挑战。

当电池电压下降到LDO无法再保持所需输出并“掉电”的水平时，这个电平被称为辍学电压。较高规格的器件可以承受比较便宜的器件更低的跌落电压。例如，凌力尔特公司的LT3070 LDO - 从0.95到3 V输入，在高达5 A时产生0.8到1.8 V输出 - 具有仅85 mV的压差。尽管如此，即使是最好的LDO也可能会掉电，而电池中仍有一些容量存在，从而缩短了电池的使用寿命。

开关稳压器是在20世纪60年代推出的，其主要优点是在宽电压范围内具有高效率和负载范围。低负载时的效率是早期设备的问题，但主要通过“脉冲跳跃”技术解决（参见TechZone文章“脉冲频率调制对DC/DC开关电压转换器的优势”）。

开关稳压器使用一个或两个FET，但与LDO不同，这些操作 - 如产品描述所示 - 在开关模式下工作。当FET导通并传导电流时，其功率路径上的电压降最小。当FET关闭并阻断高压时，几乎没有电流通过其电源路径。这些特性确保了调节器中耗散的功率非常小，从而提高了效率。现代12 VIN，3.3 VOUT同步开关降压稳压器，例如International Rectifier（IR）IR3898，通常可实现超过90％的效率（相比之下，在相同条件下运行的LDO为27.5％）。

与LDO一样，飞思卡尔，Maxim，安森美半导体和德州仪器（TI）等主要供应商提供大量开关电源。

开关稳压器的缺点是尺寸（虽然功率密度优于LDO），成本，设计复杂性和噪声。最后两项是相关的，因为大部分设计复杂性与电感选择有关，并且输入和输出滤波电路的设计需要确保纹波的峰峰值受到限制。明智地选择电感和其他无源元件可能会限制输出电压和电流纹波，但某些电磁干扰（EMI）是不可避免的（参见TechZone文章“电容选择是良好电压调节器设计的关键”）。

现代人对高频开关电源的偏好加剧了设计挑战。通过以更高的频率操作，电源可以使用更小的电感器，从而减小其尺寸和成本。然而，高频操作使EMI问题更难解决（参见TechZone文章“选择高频开关稳压器时的设计权衡”）。

开关稳压器产生的EMI可能会扰乱其他组件，特别是在便携式产品中，设备密集且印刷电路板（PCB）走线很短。更糟糕的是 - 考虑到越来越多的设计工程师热衷于将RF芯片集成到他们的最新产品中以赋予其无线连接性 - 杂散EMI增加了设计强大RF电路的难度。

第三种选择

许多有进取心的工程师通过链接切换输出来创建混合电源拓扑，而不是接受通过选择LDO或开关稳压器引入的妥协。直接调节到LDO的输入端。

开关稳压器可接受各种输入电压，并可有效调节到更高，更低或更高的电源。此外，如果开关器件的输出（即输入到LDO）设置为仅略大于电源所需的输出，则LDO可以在其最有效的范围内连续工作。

这种混合电源背后的关键前提是LDO滤波开关稳压器受纹波影响的稳压输出，消除了潜在的EMI问题，并避免了长时间精炼PCB设计和计算输出电感和电容值的要求 - 滤波器电路（如果开关调节器单独使用的话就是这种情况）。其他优势包括具有更高稳定性，更高精度，更快瞬态响应和更低输出阻抗的电源（请参阅TechZone文章“混合电源为敏感电路提供无噪声电压”）。

不幸的是，事情比选择两个稳压器并将它们连接在一起要复杂得多。

控制噪声

衡量LDO平滑能力的一个指标开关电源的电压和电流纹波是PSRR。 PSRR量化了LDO在宽频率范围内滤波器输入纹波（在这种情况下是开关稳压器的输出）的精确度，并以分贝（dB）表示。 （工程师应注意PSRR响应根据纹波频率而变化。确保开关稳压器的工作频率与LDO的最佳PSRR频率响应相匹配或至少接近，这一点非常重要。）

许多工程师得出结论认为，只要PSRR良好，那么混合动力电源就可以了。情况并非如此，因为如上所述，LDO包括电压基准，FET，电阻和其他外部电路，这些外部电路独立于PSRR引入额外的（而非无关紧要的）噪声（见图2）。具有良好PSRR但高自激噪声的LDO对于从混合电源产生清洁电压来说是不好的选择。因此，工程师检查入围设备数据表中的PSRR和内部噪声参数非常重要。

图2：来自线性稳压器的噪声包括外部噪声，内部噪声以及拒绝后遗留的噪声。 （由Texas Instruments提供）

图1中的简化框图显示了在LDO中产生主要噪声的元件，特别是温度补偿电压基准（“带隙”），电阻分压器，运算放大器的输入级和FET的输入级较小。

带隙是噪声的主要来源。降低噪声的一种方法是降低LDO内误差放大器的带宽。这确实有降低器件瞬态响应的缺点。或者，可以通过在带隙输出端添加一个包含大内部电阻和外部电容的大型低通滤波器（LPF）来消除这种噪声，这样很少有噪声进入增益级（同样的）过滤器也改善了PSRR）。

电阻分压网络是LDO整体噪声的另一个因素。这种噪音本质上是热的，因此随着温度的升高而增加。电阻分压器连接到LDO差分放大器的输入端，将噪声放大一定量，与调节器的闭环增益成比例。

差分放大器本身是产生噪声的最终重要来源由LDO提供。放大器通常设计为输入级具有大量增益。因此，来自位于输入级之后的信号路径中的器件的任何噪声在被返回到输入时被输入级的增益衰减。内部电路之外没有任何东西可以降低来自此源的噪声。

所有主要噪声源（带隙，电阻分压器和运算放大器输入级）都连接到输入因此，差分放大器不会被任何内部增益衰减。有些令人惊讶的是，功率通过FET通常占LDO总裸片面积的至少一半，由于缺乏增益，因此不会产生太大的噪声。

估算输出的过程来自给定LDO的噪声首先将每个噪声贡献者引用到运算放大器输入。例如，为了从传输FET中找到噪声，工程师首先需要将其噪声贡献除以它与运算放大器输入之间存在的开环增益。这种增益通常非常大，确保传输FET的噪声贡献通常可以忽略不计。

许多工程师选择不从头开始设计LDO，而是选择广泛的成熟模块化解决方案可用。尽管如此，确定模块化LDO将为混合电源增加多少噪声仍然非常重要。

虽然LDO的制造商经常试图将PSRR作为噪声抑制的关键性能指标，但通过仔细阅读数据表的小字，工程师将找到有关器件本身产生多少噪声的信息。相关频率范围。

此信息通常以两种方式表示。第一个是总（集成）输出噪声（μVRMS），它是在有限频率范围内积分的频谱噪声密度的RMS值。第二个是以频谱噪声密度曲线（μV/√Hz）的形式说明的，它是噪声密度与频率的关系图。图3显示了德州仪器（TI）TPS717xx系列线性稳压器数据表中的信息。例如，TPS71733可在高达6.5 V的输入电压下提供3.3 V，150 mA输出，在100 Hz至100 kHz范围内的噪声等级为30μVRMS。

图3：TI TPS717xx LDO数据表中的PSRR，总输出噪声和频谱噪声密度曲线。

由于单个数字指定总输出噪声电压，因此对于比较目的非常有用。但是，当比较不同LDO的噪声规格时，重要的是要在相同的频率范围和相同的输出电压和电流值下进行比较。

低噪声LDO

< p>市场上有一些噪声极低的LDO。例如，凌力尔特公司的LT3090--在1.5至36 V电源下提供高达600 mA的0至32 V输出 - 噪声水平为18μVRMS（见图4）。

图4：凌力尔特公司的低噪声LT3090 LDO。

Maxim的MAX8510可以产生多达10个电压输出，范围为1.5至4.5 V，输入电压高达6 V时最高120 mA。器件的噪声额定值为11μVRMS，100 Hz至100千兆范围。

飞兆半导体公司提供FAN25800，在10 Hz至100 kHz范围内的噪声等级为8μVRMS。 LDO工作在高达5.5 V的输入电压下，提供高达250 mA的2.8 V输出。

PSRR和LDO噪声是选择混合器LDO时需要考虑的重要规格-电源。在比较器件时，选择具有良好PSRR的产品以及考虑相关开关稳压器工作的频率范围非常重要，以确保其与LDO的最佳PSRR一致。但是，考虑LDO本身产生的噪声同样重要。如果输出电源被LDO自身内部产生的噪声破坏，选择能够平滑开关稳压器的电压和电流纹波的器件几乎没有意义。