在許多應(yīng)用中，工程師將開關(guān)DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器（“開關(guān)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(shí)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(gè)相對的因?yàn)榧词故亲詈玫腖DO也會(huì)產(chǎn)生一些噪聲。許多工程師認(rèn)為LDO輸出端的噪聲僅僅是其電源抑制比（PSRR）的函數(shù)。當(dāng)與開關(guān)穩(wěn)壓器串聯(lián)使用時(shí)，PSRR確實(shí)可以很好地衡量LDO處理開關(guān)穩(wěn)壓器輸出中的電壓和電流紋波的程度 - 但PSRR不應(yīng)該是選擇LDO的唯一標(biāo)準(zhǔn)。

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

本文解釋了如何將開關(guān)穩(wěn)壓器與LDO相結(jié)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(guān)穩(wěn)壓器的比較

電池供電的便攜式設(shè)備需要電壓調(diào)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(diào)節(jié)可確保電源能夠應(yīng)對各種負(fù)載，而不會(huì)使電池過載。

電壓調(diào)節(jié)可歸結(jié)為兩種選擇，即LDO或開關(guān)穩(wěn)壓器。 LDO是優(yōu)雅的設(shè)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(gè)外部無源元件設(shè)計(jì)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(diǎn)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(yīng)晶體管（FET）和電阻分壓器的反饋環(huán)路。當(dāng)電阻分壓器設(shè)置輸出電壓時(shí)，F(xiàn)ET使LDO無論負(fù)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(shè)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(dǎo)致熱量積聚，這對緊湊型便攜式設(shè)備來說是一個(gè)挑戰(zhàn)。

當(dāng)電池電壓下降到LDO無法再保持所需輸出并“掉電”的水平時(shí)，這個(gè)電平被稱為輟學(xué)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(dá)5 A時(shí)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(huì)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(guān)穩(wěn)壓器是在20世紀(jì)60年代推出的，其主要優(yōu)點(diǎn)是在寬電壓范圍內(nèi)具有高效率和負(fù)載范圍。低負(fù)載時(shí)的效率是早期設(shè)備的問題，但主要通過“脈沖跳躍”技術(shù)解決（參見TechZone文章“脈沖頻率調(diào)制對DC/DC開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢”）。

開關(guān)穩(wěn)壓器使用一個(gè)或兩個(gè)FET，但與LDO不同，這些操作 - 如產(chǎn)品描述所示 - 在開關(guān)模式下工作。當(dāng)FET導(dǎo)通并傳導(dǎo)電流時(shí)，其功率路徑上的電壓降最小。當(dāng)FET關(guān)閉并阻斷高壓時(shí)，幾乎沒有電流通過其電源路徑。這些特性確保了調(diào)節(jié)器中耗散的功率非常小，從而提高了效率?，F(xiàn)代12 VIN，3.3 VOUT同步開關(guān)降壓穩(wěn)壓器，例如International Rectifier（IR）IR3898，通?？蓪?shí)現(xiàn)超過90％的效率（相比之下，在相同條件下運(yùn)行的LDO為27.5％）。

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

開關(guān)穩(wěn)壓器的缺點(diǎn)是尺寸（雖然功率密度優(yōu)于LDO），成本，設(shè)計(jì)復(fù)雜性和噪聲。最后兩項(xiàng)是相關(guān)的，因?yàn)榇蟛糠衷O(shè)計(jì)復(fù)雜性與電感選擇有關(guān)，并且輸入和輸出濾波電路的設(shè)計(jì)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(huì)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(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵”）。

現(xiàn)代人對高頻開關(guān)電源的偏好加劇了設(shè)計(jì)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(guān)穩(wěn)壓器時(shí)的設(shè)計(jì)權(quán)衡”）。

開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的EMI可能會(huì)擾亂其他組件，特別是在便攜式產(chǎn)品中，設(shè)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)強(qiáng)大RF電路的難度。

第三種選擇

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

開關(guān)穩(wěn)壓器可接受各種輸入電壓，并可有效調(diào)節(jié)到更高，更低或更高的電源。此外，如果開關(guān)器件的輸出（即輸入到LDO）設(shè)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(guān)鍵前提是LDO濾波開關(guān)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(shí)間精煉PCB設(shè)計(jì)和計(jì)算輸出電感和電容值的要求 - 濾波器電路（如果開關(guān)調(diào)節(jié)器單獨(dú)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(yīng)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(gè)穩(wěn)壓器并將它們連接在一起要復(fù)雜得多。

控制噪聲

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

許多工程師得出結(jié)論認(rèn)為，只要PSRR良好，那么混合動(dòng)力電源就可以了。情況并非如此，因?yàn)槿缟纤觯琇DO包括電壓基準(zhǔn)，F(xiàn)ET，電阻和其他外部電路，這些外部電路獨(dú)立于PSRR引入額外的（而非無關(guān)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(shè)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(bǔ)償電壓基準(zhǔn)（“帶隙”），電阻分壓器，運(yùn)算放大器的輸入級(jí)和FET的輸入級(jí)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(shí)有降低器件瞬態(tài)響應(yīng)的缺點(diǎn)?；蛘?，可以通過在帶隙輸出端添加一個(gè)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(jìn)入增益級(jí)（同樣的）過濾器也改善了PSRR）。

電阻分壓網(wǎng)絡(luò)是LDO整體噪聲的另一個(gè)因素。這種噪音本質(zhì)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(diào)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(shè)計(jì)為輸入級(jí)具有大量增益。因此，來自位于輸入級(jí)之后的信號(hào)路徑中的器件的任何噪聲在被返回到輸入時(shí)被輸入級(jí)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(yùn)算放大器輸入級(jí)）都連接到輸入因此，差分放大器不會(huì)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(huì)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(gè)噪聲貢獻(xiàn)者引用到運(yùn)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(xiàn)除以它與運(yùn)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(xiàn)通?？梢院雎圆挥?jì)。

許多工程師選擇不從頭開始設(shè)計(jì)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(guān)鍵性能指標(biāo)，但通過仔細(xì)閱讀數(shù)據(jù)表的小字，工程師將找到有關(guān)器件本身產(chǎn)生多少噪聲的信息。相關(guān)頻率范圍。

此信息通常以兩種方式表示。第一個(gè)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(gè)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(guān)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(dá)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(jí)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(gè)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(dāng)比較不同LDO的噪聲規(guī)格時(shí)，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(jìn)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(dá)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(dá)10個(gè)電壓輸出，范圍為1.5至4.5 V，輸入電壓高達(dá)6 V時(shí)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(dǎo)體公司提供FAN25800，在10 Hz至100 kHz范圍內(nèi)的噪聲等級(jí)為8μVRMS。 LDO工作在高達(dá)5.5 V的輸入電壓下，提供高達(dá)250 mA的2.8 V輸出。

PSRR和LDO噪聲是選擇混合器LDO時(shí)需要考慮的重要規(guī)格-電源。在比較器件時(shí)，選擇具有良好PSRR的產(chǎn)品以及考慮相關(guān)開關(guān)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(guān)穩(wěn)壓器的電壓和電流紋波的器件幾乎沒有意義。