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LDO的运行困境:低裕量和最小负载

2023-02-28 17:42:10 ADI电源管理应用工程师Glenn Morita 阅读:
开关式DC-DC转换器可提高电源效率,有些器件的效率可超过95%,但是以增加电源噪声为代价,通常在较宽带宽范围内都存在噪声问题。低压差线性稳压器(LDO)常用于清除供电轨中的噪声,但也需要进行一些权衡考量,其功耗会增加系统的热负载。

基于深亚微米工艺的新型千兆级模拟电路需要的电源电压越来越低,在某些情况下要低于1 V。这些高频电路通常需要较大的电源电流,因此,热管理可能会变得困难。设计目标是将功耗降至电路性能所必需的水平。r3zednc

开关式DC-DC转换器可提高电源效率,有些器件的效率可超过95%,但是以增加电源噪声为代价,通常在较宽带宽范围内都存在噪声问题。低压差线性稳压器(LDO)常用于清除供电轨中的噪声,但也需要进行一些权衡考量,其功耗会增加系统的热负载。为了缓解这些问题,使用LDO时,可使输入和输出电压之间存在较小的压差(裕量电压)。本文旨在讨论低裕量电压对电源抑制和总输出噪声的影响。r3zednc

LDO电源抑制与裕量

LDO电源抑制比(PSRR)与裕量电压高度相关——裕量电压指输入与输出电压之差。对于固定裕量电压,PSRR随着负载电流的增加而降低;大负载电流和小裕量电压条件下尤其如此。图1显示了超低噪声、2.5V线性稳压器ADM7160在200 mA负载电流和200 mV、300 mV、500 mV和1 V裕量电压条件下的PSRR。随着裕量电压的减小,PSRR也会减小,压差可能变得非常大。例如,在100 kHz下,裕量电压从1 V变为500 mV,将会使PSRR减少5 dB。然而,裕量电压的较小变化,从500 mV变为300 mV,会导致PSRR下降18 dB以上。r3zednc

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1.ADM7160 PSRR与裕量。r3zednc

图2显示了LDO的框图。随着负载电流的增加,PMOS调整元件的增益会减小,随后脱离饱和状态进入三极工作区。这会使总环路增益减小,从而导致PSRR下降。裕量电压越小,增益降幅越大。随着裕量电压继续减小,会达到一个点,在该点控制环路的增益降至1,PSRR降至0 dB。r3zednc

导致环路增益减小的另一个因素是调整元件的电阻,包括FET的导通电阻、片内互连电阻和焊线电阻。可以根据压差推算出该电阻。例如,采用WLCSP封装的ADM7160在200 mA下的最大压差为200 mV。利用欧姆定律,调整元件的电阻约为1 Ω。调整元件可近似为一个固定电阻加上可变电阻。r3zednc

流过该电阻的负载电流会导致与FET的漏源工作电压之间产生压差。例如,在1 Ω FET条件下,200 mA的负载电流会使漏源电压下降200 mV。在估算裕量为500 mV或1 V的LDO的PSRR时,必须考虑调整元件上的压差,因为调整FET的工作电压实际上只有300 mV或800 mV。r3zednc

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2.压差稳压器的框图。r3zednc

容差对LDO裕量的影响

客户通常会要求应用工程师帮助他们选择合适的LDO,以便在负载电流为Z时,从输入电压Y产生低噪声电压X,但当设置这些参数时,往往会忽略的一个因素是输入和输出电压的容差。随着裕量电压值变得越来越小,输入和输出电压的容差会极大地影响工作条件。输入和输出电压的最差条件容差始终会导致裕量电压下降。例如,最差条件下的输出电压可能高1.5%,输入电压可能低3%。当通过一个3.8 V源驱动3.3 V的稳压器时,最差条件下的裕量电压为336.5 mV,远低于预期值500 mV。在最差条件负载电流为200 mA时,调整FET的漏源电压只有136.5 mV。在这种情况下,ADM7160在10mA时的PSRR可能远远低于标称值他,即55 dB。r3zednc

压差模式下LDOPSRR

客户经常向应用工程师请教LDO在压差模式下的PSRR。起初,这似乎是个合理的问题,但只要看看简化的框图,就知道这个问题毫无意义。当LDO工作在压差模式时,调整FET的可变电阻部分为零,输出电压等于输入电压减去通过调整FET的RDSON的负载电流而引起的压降。LDO不进行调节,也没有用来抑制输入噪声的增益;它仅充当一个电阻。FET的RDSON与输出电容形成RC滤波器,可提供少量的残余PSRR,但简单的电阻或铁氧体磁珠可以更经济有效地完成同一任务。r3zednc

低裕量工作模式下维持性能

在低裕量工作模式下,需要考虑裕量电压对PSRR的影响,否则将导致输出电压噪声水平高于预期的情况。数据手册中通常会提供PSRR与裕量电压的关系曲线,如图3所示,其可用来确定给定条件下可能的噪声抑制程度。r3zednc

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3.PSRR与裕量电压的关系。r3zednc

然而,通过展示LDO的PSRR是如何有效滤除源电压中的噪声,可以很容易地看到这种信息的利用价值。下图显示了LDO在不同裕量电压下工作时,对总输出噪声的影响。r3zednc

图4展示的是2.5 V ADM7160在500 mV裕量和100 mA负载条件下,相对于E3631A台式电源的输出噪声,该台式电源在20 Hz至20 MHz范围内的额定噪声低于350 μV-rms。1 kHz以下的许多杂散都是与60 Hz线路频率整流相关的谐波。10 kHz以上的宽杂散来自产生最终输出电压的DC-DC转换器。1 MHz以上的杂散源于环境中与电源噪声不相关的RF源。在10 Hz至100 kHz范围内,这些测试所用电源的实测噪声为56 μV rms,含杂散为104 μV-rms。LDO抑制电源上的所有噪声,输出噪声约为9 μV-rms。r3zednc

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4.ADM7160噪声频谱密度(裕量为500 mV)。r3zednc

当裕量电压降至200 mV时,随着高频PSRR接近0 dB,100 kHz以上的噪声杂散开始穿过噪底。噪声略升至10.8 μV rms。随着裕量降至150 mV,整流谐波开始影响输出噪声,即输出噪声上升至12 μV rms。在大约250 kHz处出现幅度适中的峰值,因此,尽管总噪声的增加量并不大,但敏感电路也可能受到不利影响。随着裕量电压进一步下降,性能将会受到影响,与整流相关的杂散开始在噪声频谱中显现出来。图5所示为100-mV裕量条件下的输出。噪声已上升至12.5 μV rms。谐波所含能量很少,因此,杂散噪声仅略有增加,为12.7 μV rms。r3zednc

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5.ADM7160噪声频谱密度(裕量为100 mV)。r3zednc

当裕量为75 mV时,输出噪声受到严重影响,整个频谱中都会出现整流谐波。Rms噪声升至18 μV rms,噪声加杂散升至27 μV rms。由于LDO环路无增益,并充当一个无源RC滤波器,因此超过~200 kHz的噪声会被衰减。当裕量为65 mV时,ADM7160采用压差工作模式。如图6所示,ADM7160的输出电压噪声实际上与输入噪声相同。rms噪声为53 μV rms,噪声加杂散为109 μV rms。因为LDO充当一个无源RC滤波器,所以超过~100 kHz的噪声会被衰减。r3zednc

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6.ADM7160在压差模式下的噪声频谱密度。r3zednc

PSRR低噪声LDO

ADM7150超低噪声、高PSRR调节器等新型LDO实际上级联了两个LDO,因此,得到的PSRR约为单级PSRR之和。这些LDO要求略高的裕量电压,但能够在1 MHz时实现超过60 dB的PSRR,在较低频率下实现远超100dB的PSRR。r3zednc

图7所示为5 V ADM7150的噪声频谱密度,其负载电流为500 mA,裕量为800 mV。10 Hz至100 kHz范围内,输出噪声为2.2 μV rms。随着裕量降至600 mV,整流谐波开始显现,输出噪声升至2.3 μV rms,其对噪声的影响很小。r3zednc

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7.ADM7150噪声频谱密度(裕量为800-mV)。r3zednc

如图8所示,当裕量为500 mV时,整流谐波和12 kHz的峰值清晰可见。输出电压噪声升至3.9 μV rms。r3zednc

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8.ADM7150噪声频谱密度(裕量为500-mV)。r3zednc

当裕量为350 mV时,LDO采用压差工作模式。此时,LDO再也不能调节输出电压,其作用类似于电阻,输出噪声升至近76 μV rms,如图9所示。输入噪声仅通过FET的RDSON和输出端电容形成的极点来衰减。r3zednc

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9.ADM7150在压差模式下的噪声频谱密度。r3zednc

结论

现代LDO越来越多地用于清除供电轨中的噪声,这些供电轨通常采用在较宽频谱下会产生噪声的开关稳压器来实现。开关稳压器以高效率创建这些电压轨,但高能耗LDO既会减少噪声,也会导致效率下降。因此,应尽量降低LDO的工作裕量电压。r3zednc

如前所述,LDO的PSRR是负载电流和裕量电压的函数,会随负载电流的增加或裕量电压的减少而减少,因为在调整管的工作点从饱和工作区移至三极工作区时,环路增益会下降。r3zednc

考虑到输入源噪声特性、PSRR和最差条件容差,设计人员可同时优化功耗和输出噪声,为敏感型模拟电路构建高效的低噪声电源。r3zednc

裕量电压非常低时,输入和输出电压的最差条件容差可能会对PSRR产生影响。在设计时充分考虑最差条件容差可以确保设计的鲁棒性,否则,得到的电源解决方案将具有较低的PSRR,其总噪声也会高于预期。r3zednc

参考资料

  • 线性稳压器
  • Morita, Glenn. “可调节输出低压差稳压器的降噪网络。”《模拟对话》,第48卷,第1期,2014年。
  • Morita, Glenn.“低压差稳压器—为什么选择旁路电容很重要。”《模拟对话》,第45卷,第1期,2011年。
  • Morita, Glenn.AN-1120应用笔记。低压差(LDO)稳压器的噪声源。ADI公司,2011年。

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关于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球领先的半导体公司,致力于在现实世界与数字世界之间架起桥梁,以实现智能边缘领域的突破性创新。ADI提供结合模拟、数字和软件技术的解决方案,推动数字化工厂、汽车和数字医疗等领域的持续发展,应对气候变化挑战,并建立人与世界万物的可靠互联。ADI公司2022财年收入超过120亿美元,全球员工约2.5万人。携手全球12.5万家客户,ADI助力创新者不断超越一切可能。更多信息,请访问www.analog.com/cnr3zednc

关于作者

Glenn Morita,1976年毕业于华盛顿州立大学,获得电气工程学士(BSEE)学位。随即加入Texas Instruments公司,期间参与研发旅行者号太空探测用红外分光仪。之后,Glenn一直从事仪器仪表、军用和航空航天以及医疗行业的装置设计工作。2007年,他加入ADI公司,成为华盛顿州贝尔维尤电源管理产品团队的一名应用工程师。他拥有25年以上的线性和开关模式电源设计经验,所设计电源的功率范围从微瓦到千瓦不等。Glenn拥有两项利用体热能量给植入式心脏除颤器供电方面的专利,以及另外一项延长外部心脏除颤器电池使用寿命的专利。闲暇时,他喜欢收集矿石、雕琢宝石、摄影和逛国家公园。r3zednc

责编:Franklin
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