【導(dǎo)讀】本文作為電壓輸入至輸出控制（VIOC）應(yīng)用于低壓差穩(wěn)壓器（LDO）系列文章的第二部分，在第一部分基礎(chǔ)概念之上，深入剖析VIOC系統(tǒng)設(shè)計(jì)邏輯，詳解新一代LDO憑借恒定輸入輸出電壓差所實(shí)現(xiàn)的高電源電壓抑制比（PSRR）、優(yōu)化功耗及可靠故障保護(hù)等核心性能優(yōu)勢(shì)；同時(shí)依托LTspice?仿真、演示硬件等參考設(shè)計(jì)與評(píng)估方法，降低VIOC技術(shù)的應(yīng)用門檻，還進(jìn)一步探討其在負(fù)電壓拓?fù)渲械募陕窂剑⑹崂碓缙诨诜至⒃鹘y(tǒng)LDO架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方案，揭示VIOC在優(yōu)化開關(guān)穩(wěn)壓器與LDO協(xié)同工作、賦能現(xiàn)代電源管理系統(tǒng)多樣化方案開發(fā)中的關(guān)鍵價(jià)值。
VIOC詳解
最新一代LDO中的VIOC特性是通過(guò)LDO內(nèi)部增益為1的差分放大器實(shí)現(xiàn)的，如圖1所示。由差分放大器的示意圖可見，它由運(yùn)算放大器和分立電阻構(gòu)成。在最基本的配置中，差分放大器的輸出直接連接到為L(zhǎng)DO供電的開關(guān)穩(wěn)壓器的FB引腳。VIOC和FB引腳之間的連接形成一個(gè)閉環(huán)的反饋回路，在該回路中，開關(guān)穩(wěn)壓器輸出一個(gè)比LDO輸出更高的電壓，高出幅度等于差分放大器的輸出電壓，而差分放大器輸出電壓連接到開關(guān)穩(wěn)壓器FB引腳。FB引腳是開關(guān)穩(wěn)壓器IC誤差放大器反相輸入端的外部連接點(diǎn)。
圖1.最新一代LDO中的VIOC特性通過(guò)LDO內(nèi)部增益為1的差分放大器實(shí)現(xiàn)
誤差放大器是一種電子元件，通常采用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)，其作用是放大兩個(gè)輸入信號(hào)（通常是基準(zhǔn)電壓和來(lái)自系統(tǒng)輸出的反饋信號(hào)）之間的差值。此差值（即誤差信號(hào)）用于調(diào)整系統(tǒng)以維持期望的輸出。因此，誤差放大器是穩(wěn)壓器、電源、伺服機(jī)構(gòu)等反饋控制系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。
實(shí)現(xiàn)VIOC的差分放大器還負(fù)責(zé)處理一些管理任務(wù)，例如防止LDO輸入過(guò)低和關(guān)斷LDO。有關(guān)VIOC行為的完整詳情，請(qǐng)參閱LDO數(shù)據(jù)手冊(cè)中的VIOC部分。
開關(guān)穩(wěn)壓器FB引腳電壓在大約0.4 V到1.2 V之間，具體取決于開關(guān)穩(wěn)壓器IC。如果開關(guān)穩(wěn)壓器反饋引腳的電壓低于所需的LDO輸入輸出電壓差，可在開關(guān)穩(wěn)壓器的FB引腳和LDO的VIOC引腳之間添加一個(gè)電阻。此電阻用于將差分放大器輸出端的VIOC信號(hào)連接到更高電壓點(diǎn)，如圖1所示。圖1所示LT3041 LDO和類似LDO的VIOC，很難實(shí)現(xiàn)比開關(guān)穩(wěn)壓器FB引腳電壓更低的LDO輸入輸出電壓差。
為了理解差分放大器如何實(shí)現(xiàn)VIOC，可將差分放大器的輸出視為其輸入之一。如果差分放大器的輸出電壓為某個(gè)特定值，則其正輸入端的電壓必須高于其負(fù)輸入端的電壓，且高出幅度必須等于該差分放大器輸出電壓。差分放大器的負(fù)輸入端連接到LDO的輸出端，因此差分放大器可調(diào)節(jié)開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓，使其比LDO的輸出電壓高，高出的量值與差分放大器輸出電壓（由開關(guān)穩(wěn)壓器的FB引腳電壓決定）相同。
圖2.LT3073 LDO具有VIOC電路設(shè)計(jì)，可使LDO的輸入輸出電壓差低于開關(guān)穩(wěn)壓器反饋引腳電壓，并限制LT8610A開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓
圖3.如果LDO未使能，則LT3041 VIOC電路會(huì)限制LT8608開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓
圖4.采用?uk配置的開關(guān)穩(wěn)壓器，用于產(chǎn)生負(fù)電壓（使用LT8364）
圖2顯示了具有VIOC電路設(shè)計(jì)的LT3073 LDO，該設(shè)計(jì)使得LDO的輸入輸出電壓差可以低于開關(guān)穩(wěn)壓器的反饋引腳電壓。此VIOC方法提供一個(gè)偏置電壓，使LDO輸入輸出電壓差比VIOC引腳電壓低800 mV。這種類型的VIOC在輸入輸出電壓差較低、電流額定值較高的LDO中很常見。圖2電路還能限制開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓。開關(guān)穩(wěn)壓器的反饋電阻分壓器用于防止在LDO未使能或無(wú)法閉合VIOC反饋環(huán)路的情況下，開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓變得過(guò)高。如圖3所示，圖1中的LT3041 VIOC電路會(huì)限制開關(guān)穩(wěn)壓器LT8608的輸出電壓。
到目前為止討論的LDO都是使用正電壓工作的正LDO，但VIOC操作也支持使用負(fù)電壓工作的負(fù)LDO。負(fù)LDO的VIOC電路可采用產(chǎn)生負(fù)電壓的開關(guān)穩(wěn)壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)，其反饋引腳命名為FBX，而不是FB。圖4顯示了一個(gè)采用?uk配置的開關(guān)穩(wěn)壓器，用于產(chǎn)生負(fù)電壓。負(fù)LDO LT3099的VIOC用于控制?uk輸出電壓。
圖5所示電路反映了一種越來(lái)越常見的場(chǎng)景，其中的降壓型穩(wěn)壓器通常產(chǎn)生正電壓，但通過(guò)配置為反相降壓-升壓型穩(wěn)壓器，它可用來(lái)產(chǎn)生負(fù)電壓。由于標(biāo)準(zhǔn)降壓型穩(wěn)壓器沒有用于配合負(fù)電壓使用的FBX引腳或FB引腳，因此該VIOC電路需要一個(gè)電平轉(zhuǎn)換器。在該電路中，電平轉(zhuǎn)換器是電路的一部分，電路中包含LT1636運(yùn)算放大器和連接到運(yùn)算放大器正輸入端的網(wǎng)絡(luò)。
VIOC很容易實(shí)現(xiàn)，只需在已有的開關(guān)穩(wěn)壓器到LDO連接的基礎(chǔ)上，增加一根導(dǎo)線即可。VIOC可與任何帶有FB引腳的開關(guān)穩(wěn)壓器配合使用。請(qǐng)注意，Silent Switcher? 3 (SS3)穩(wěn)壓器IC沒有FB引腳，因此VIOC通常不與這些IC一起使用。如果開關(guān)穩(wěn)壓器FB引腳連接到內(nèi)部分壓電阻，而該電阻也連接到輸出端，則VIOC會(huì)有一些局限性。某些μModule?穩(wěn)壓器就屬于這種情況。
μModule穩(wěn)壓器是一種高度集成的系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)解決方案，它在一個(gè)緊湊的封裝中集成了多個(gè)電子元器件，例如DC-DC控制器、功率晶體管、輸入輸出電容、補(bǔ)償元件和電感。2
圖5.如果開關(guān)穩(wěn)壓器采用的是反相降壓-升壓配置（使用ADP2386），則負(fù)LDO的VIOC電路需要電平轉(zhuǎn)換器
圖6.此VIOC電路將LTM4616 μModule穩(wěn)壓器的一個(gè)通道與LT3078 LDO配合使用
圖6所示VIOC電路將LTM4616 μModule穩(wěn)壓器的一個(gè)通道與LT3078 LDO配合使用。μModule的FB引腳與開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出端之間有一個(gè)內(nèi)部10 kΩ電阻。VIOC引腳電流（及相應(yīng)的VIOC引腳電壓）與10 kΩ電阻的電流相關(guān)；當(dāng)LDO和開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓提高或降低時(shí)，電阻電流會(huì)按比例變化。VIOC引腳電壓對(duì)LDO輸出電壓的這種依賴關(guān)系，會(huì)限制圖6所示電路的LDO輸出電壓調(diào)節(jié)范圍。
評(píng)估VIOC系統(tǒng)工作情況的便捷方法
LTspice?可用于快速仿真和評(píng)估受限環(huán)境下的VIOC工作情況，從而無(wú)需物理硬件便能測(cè)試不同的場(chǎng)景和參數(shù)。因此，它是在實(shí)現(xiàn)電路之前驗(yàn)證電路行為和優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效工具。
使用硬件評(píng)估VIOC功能的最有效方法，是將開關(guān)穩(wěn)壓器演示電路連接到LDO演示電路，并進(jìn)行極少量的改動(dòng)。圖7顯示了兩個(gè)配置用于快速測(cè)試VIOC的此類電路。對(duì)于VIOC電路的最終設(shè)計(jì)，通常需要在實(shí)際硬件上進(jìn)行負(fù)載瞬態(tài)測(cè)試，以檢查電路穩(wěn)定性。為了提高穩(wěn)定性，通常會(huì)在開關(guān)穩(wěn)壓器輸出端增加電容。如需相關(guān)指導(dǎo)，請(qǐng)參閱數(shù)據(jù)手冊(cè)中的VIOC參考設(shè)計(jì)。
圖7.兩個(gè)演示電路，只需極少量改動(dòng)即可快速測(cè)試VIOC工作情況（使用DC3158A和DC2458A）
圖8.VIOC的一個(gè)早期版本（采用LTC3415）
早期版本VIOC和非內(nèi)置VIOC
到目前為止，大部分討論都集中在采用最新一代VIOC的LDO上。除此之外，還有一種采用分立元件實(shí)現(xiàn)VIOC的方法，使用早期一代帶有VIOC特性的LDO。圖8顯示了一個(gè)采用早期版本VIOC的LDO電路。LDO的VIOC引腳連接到開關(guān)穩(wěn)壓器的ITH或VC引腳，LDO的VIOC電路自動(dòng)將LDO的輸入輸出電壓差控制在300 mV左右。ITH或VC引腳是開關(guān)穩(wěn)壓器IC誤差放大器輸出端的外部連接點(diǎn)。早期5V、5A LDO，例如LT3070-1、LT3071和LT3072，就是采用這種VIOC方法。
我們要討論的最后一類VIOC是利用分立元件實(shí)現(xiàn)的VIOC。借助分立元件，幾乎任何LDO都可以添加VIOC功能。這種方法在早期的電流源基準(zhǔn)LDO（從LT3080開始）中特別流行，因?yàn)橥ㄟ^(guò)外部電壓信號(hào)或數(shù)字電位器改變帶電流源基準(zhǔn)的LDO輸出電壓相對(duì)容易。電流源基準(zhǔn)LDO是一種不使用基準(zhǔn)電壓源，而使用電流源驅(qū)動(dòng)電阻來(lái)確定輸出電壓的穩(wěn)壓器。圖9顯示了一個(gè)使用分立器件實(shí)現(xiàn)VIOC的電路。IRF7342 PMOS的源柵電壓決定LDO的輸入輸出電壓差。有關(guān)采用此類VIOC的更多參考設(shè)計(jì)，請(qǐng)參閱LT308x數(shù)據(jù)手冊(cè)。
圖9.使用分立器件LT8646S和LT3083實(shí)現(xiàn)VIOC的電路
總結(jié)
電壓輸入至輸出控制（VIOC）作為新一代LDO的核心特性，通過(guò)內(nèi)部增益為1的差分放大器及閉環(huán)反饋機(jī)制，顯著提升了電源管理系統(tǒng)的性能與靈活性。它能使LDO維持恒定輸入輸出電壓差，實(shí)現(xiàn)高PSRR、優(yōu)化功耗及可靠故障保護(hù)，還可適配正/負(fù)電壓拓?fù)洌嫒荻喾N穩(wěn)壓器以拓展應(yīng)用場(chǎng)景。從早期分立元件方案到如今內(nèi)置化低壓差設(shè)計(jì)，VIOC技術(shù)始終以簡(jiǎn)化集成、降低門檻為核心演進(jìn)方向，LTspice?仿真與演示硬件則為快速驗(yàn)證設(shè)計(jì)、保障穩(wěn)定性提供了支撐。未來(lái)，VIOC將持續(xù)優(yōu)化開關(guān)穩(wěn)壓器與LDO的協(xié)同性能，為現(xiàn)代電子系統(tǒng)提供精準(zhǔn)電源解決方案，助力精密設(shè)備性能升級(jí)。
