【導讀】本文探討了開關穩壓器的各種噪聲源及其對不同模擬信號鏈器件的影響。文章重點介紹了幾種噪聲抑制策略，包括使用低壓差(LDO)穩壓器作為有效的后置調節濾波器。文章還展示了ADI公司的一系列解決方案，不僅能夠優化不同負載條件和輸出電壓下的LDO效率，而且具備良好的電源噪聲抑制性能。其中一種解決方案提供了一種新的方法，使LDO可以控制由電流基準架構的開關穩壓器產生的裕量。
引言
設計高效且低噪聲的電源解決方案，對于利用高性能模擬信號鏈的噪聲敏感型系統至關重要。然而，對于不同的系統和頻率范圍，噪聲敏感度有所不同。有些應用（如超聲成像）特別容易受到低頻或1/f噪聲的影響。采用高性能數據轉換器的系統則很容易受到互調失真的影響，其中基頻輸出紋波可與載波信號相互作用，產生和差量。這些多余的頻率邊帶分量可能導致數據轉換器的信噪比(SNR)和無雜散動態范圍(SFDR)顯著下降。此外，電磁干擾(EMI)也是一個關鍵因素，尤其是在必須遵守嚴格EMI標準和認證條件的系統中。
圖1顯示了典型降壓調節器工作在穩態脈寬調制(PWM)模式下的噪聲頻譜。
此外，基頻紋波及其諧波會在整個噪聲譜中引入強雜散能量。基頻紋波是指開關穩壓器輸出端存在的殘余交流電壓。它與穩壓器的開關操作具有相干性，其基頻與轉換器的開關頻率一致。這種偽像可能通過調制模擬輸入載波而顯著影響數據轉換器，產生不必要的邊帶，從而降低SFDR和SNR性能，如圖3所示。
圖1.降壓調節器輸出頻譜
典型降壓調節器通常會產生低頻寬帶噪聲，此噪聲主要源自基準電壓源的噪聲。這可能導致敏感RF器件（例如集成壓控振蕩器(VCO)的寬帶鎖相環(PLL)頻率合成器）出現相位噪聲問題，如圖2所示。
圖2.集成VCO的寬帶PLL頻率合成器的相位噪聲
圖3.16位、125 MSPS高速ADC快速傅立葉變換
第三種噪聲涉及高頻諧波，這些諧波源于開關節點的電壓振鈴。這種振鈴由快速開關變換(di/dt)和穩壓器輸入環路內寄生電感共同引起，如圖4所示。這會進一步加劇EMI和信號完整性問題，并可能通過寄生方式耦合到穩壓器的輸出端。
解決噪聲問題
Silent Switcher? 3 (SS3)架構有效解決了低頻噪聲（特別是1/f噪聲）問題，在此區域內實現了出色的低噪聲表現。
圖4.降壓調節器的輸入電流環路和開關節點電壓波形
基頻紋波可通過多種技術來減輕。一種方法是使用RC濾波器，這種方法設計簡單，但也存在一定的局限性。為了實現足夠低的3 dB截止頻率，以便有效衰減紋波，需要一個大電容(C)和一個小電阻(R)。然而，這種配置可能會由于串聯電阻而產生相當大的功率損失，導致其在許多應用中效率較低。不過，在電源電流相對較低的情況下，這可能是可接受的。雖然衰減斜率限制為20 dB/十倍頻程，但這種方法的一個關鍵優勢是它不需要任何磁元件。
LC濾波器也是一種常見且高效的方法。截止頻率通常設計為比開關頻率低至少一個數量級。其衰減斜率更陡，達到40 dB/十倍頻程，因此衰減效果更好。然而，LC濾波器的設計需要特別小心，尤其要注意諧振效應：在特定頻率時，它可能意外放大噪聲，而不是衰減噪聲。這兩種無源濾波器方法都會影響電壓輸出精度和瞬態性能。圖5展示了開關穩壓器輸出級后布置的RC和LC濾波器。
圖5.RC和LC無源濾波器
具有高增益帶寬積(GBW)的LDO可以有效抑制兆赫茲范圍內的基頻紋波，同時實現出色的低噪聲表現。然而，必須仔細權衡各種利弊，例如保持足夠的電源電壓抑制比(PSRR)和整體效率。相較于無源濾波器，將LDO用作后置調節級的方案更具優勢，包括更高的輸出電壓精度和更好的瞬態響應性能。為了實現良好的解決方案，務必仔細平衡VIN - VOUT裕量與LDO的PSRR特性。高頻諧波（通常在100 MHz及以上的范圍內）可通過鐵氧體磁珠來有效衰減。這些元件在目標高頻下表現出電阻特性，因此非常適合抑制這種高頻噪聲。但需要注意的是，鐵氧體磁珠也會帶來一些復雜問題，例如諧振效應和不同負載條件下的阻抗變化。設計過程中必須仔細評估這些因素。
為了實現出色的高頻噪聲表現，可以采用Silent Switcher架構。這些設計通過顯著降低開關節點的高頻振鈴來使EMI最小化，從而成為適合噪聲敏感型應用的高度穩健解決方案。
開關穩壓器利用LDO來增強輸出噪聲性能
LDO通常放置在開關穩壓器之后，用于后置調節，以濾除某些頻率范圍內的噪聲偽像。LDO在抑制低頻（最高數百千赫茲）噪聲方面通常非常有效。高增益帶寬的LDO（如LT3045）將此能力擴展到兆赫茲范圍，提供優越的PSRR性能。該器件是一款20 V、500 mA的高性能、超低噪聲、超高PSRR穩壓器，非常適合對噪聲敏感的應用。與無源濾波器相比，LDO具備若干優勢，包括更高的輸出電壓精度、增強的穩定性和優越的瞬態響應。
LDO用作后置調節濾波器時，關鍵參數之一是PSRR。PSRR衡量的是穩壓器在一系列頻率下，能夠在多大程度上有效抑制或衰減輸入電源噪聲，防止噪聲傳播到輸出端并影響電壓完整性。
然而，PSRR與負載電流和裕量電壓（輸入電壓與輸出電壓之差）都有關。負載電流是影響LDO誤差放大器開環增益的關鍵因素，因此會直接影響PSRR性能。在輕載條件下，調整元件表現出更高的阻抗，使得其與輸出電容形成的極點偏移至較低頻率。這種偏移會增強LDO有效抑制電源紋波的能力。
而在重載條件下，誤差放大器的輸出阻抗降低，開環增益也隨之降低。增益的降低導致PSRR下降，尤其是在DC與反饋環路的單位增益帶寬之間的頻率范圍內。
隨著裕量的減少，誤差放大器的增益會降低，這種效應在負載電流提高時表現更明顯。因此，PSRR性能在這些情況下會下降。
LDO作為后置調節濾波器非常有效，但其性能與電壓裕量和負載電流密切相關，因此必須對這兩項參數進行精細控制。雖然增加裕量可以改善電源紋波抑制，但這也會導致功耗升高，效率降低，尤其是在負載電流較高的情況下。系統設計人員可以在有效的噪聲濾波和足夠的電壓裕量之間找到平衡點，以維持高效率。這種平衡是實現整體設計的性能和節能目標的關鍵。
圖6.功能框圖
ADI優化效率和PSRR性能的方法
ADI提供差異化解決方案，將開關穩壓器與LDO結合作為后置調節濾波器，具有自適應裕量控制功能，可實現效率和電源噪聲抑制的平衡。
其中一種方法基于負載電流的動態變化。低噪聲微功耗管理IC ADP5003在轉換的第一級集成了高效率3 A降壓調節器，其后是超低噪聲3 A LDO，用來消除開關紋波和噪聲。它提供一種自適應裕量控制配置，能夠在最小化噪聲的同時，提升效率和散熱性能，因而適用于高速數據轉換器和RF收發器。圖6所示為ADP5003自適應裕量控制的功能框圖。
在自適應模式下，LDO會根據自身的負載電流，在內部調節降壓轉換器的輸出電壓，從而動態調整其裕量。這樣可確保實現良好的效率和噪聲表現。另外，ADP5003也可在獨立模式下運行。在該模式下，降壓轉換器和LDO分別獨立工作，輸出電壓通過外部電阻分壓器單獨設置。
圖7顯示了整個LDO負載電流范圍內的自適應裕量控制。x軸是負載電流，y軸是LDO的裕量電壓。
圖7.自適應模式裕量與負載電流的關系
自適應裕量控制模式下的裕量方案配置為在不同負載條件下保持一致的PSRR，同時提升系統整體效率，如圖8所示。
圖8.LDO PSRR與頻率的關系
另一種方法基于VOUT的動態變化。電壓輸入到輸出控制(VIOC)是ADI公司某些LDO的一個關鍵特性。它通過自動調整開關穩壓器的輸出來維持規定的裕量電壓，從而提升系統效率。雖然VIOC不會自動選擇最佳PSRR，但用戶可以手動定義裕量電壓，為特定應用實現期望的PSRR性能。
以LT3045-1為例，該器件具有VIOC特性，是一款20 V、500 mA的超低噪聲、超高PSRR線性穩壓器。圖9展示了一個典型VIOC應用，它被用于對LT8608降壓調節器的輸出進行后置調節。VIOC電壓配置為1 V，LDO的最大輸入電壓限制為16.5 V。其中還展示了如何使用電阻分壓器來輕松配置輸入到輸出差模電壓，使設計人員能夠根據特定應用要求調整PSRR和功耗之間的平衡。
利用帶電流基準架構的開關穩壓器實現簡便的LDO裕量控制
電流基準架構是一種設計方法，它將精密電流源，而非傳統的基準電壓源，用作調節輸出電壓的核心元件。它具有單位增益誤差放大器，輸出電壓可通過單一電阻輕松設置。這種方法在線性穩壓器中特別有利，并且越來越多地用于開關轉換器，以滿足高性能應用的需求。圖10中的降壓型IC就采用了這種架構。
圖9.典型的LT3045-1后置調節應用
圖10.降壓型IC的電流源基準架構
ADI公司的多款線性穩壓器采用了電流基準架構，例如LT3080和LT3045，實現了高精度和低噪聲。LT3080是一款可調1.1 A低壓差穩壓器，內置精密電流源和電壓跟隨器，可支持需要大電流和輸出調節能力（可調至0 V）的應用。高集成度開關轉換器，例如58 V、4 A降壓型μModule?穩壓器LTM4653和基于SS3(第三代低噪音)技術的穩壓器，通過采用電流基準架構來提升低噪聲性能并降低EMI，同時保持高效率和小尺寸。
電流基準架構的優勢如下：
輸出可調節到0 V，這在使用傳統基準電壓的情況下很難實現。
簡化輸出電壓設置，因為它使用單一電阻，而非傳統基準電壓所需的兩個電阻。節省元件數量和空間。
在整個輸出電壓范圍內性能一致，因為它以單位增益工作，無論輸出電壓如何，它都能確保穩定的帶寬和瞬態響應。
憑借ADI的先進SS3技術，輸出噪聲（0.1 Hz到100 kHz）在整個輸出電壓范圍內始終保持較低水平，確保無論輸出電壓電平如何，性能都很穩定。
通常，具有VIOC功能的LDO不能與SS3開關穩壓器搭配使用，因為SS3穩壓器沒有常規FB引腳。圖11顯示了一種新架構，它使用電流源基準開關穩壓器，根據開關穩壓器SET引腳和LDO輸出之間的電阻生成輸出電壓。
圖11.利用電流源基準和LDO進行裕量控制的降壓調節器框圖
借助具有電流源基準特性的DC-DC轉換器，可以巧妙高效地實現類似于先進LDO的VIOC特性的功能。在此設置中，第一級開關轉換器使用其SET引腳處的電流源基準，并通過一個電阻將其連接到第二級LDO的輸出電壓，從而實現動態裕量控制并改善噪聲性能。
結語
開關穩壓器的噪聲可能以不同方式影響模擬信號鏈器件，具體取決于每個器件對哪種頻率最敏感。根據系統需要處理的特定頻率范圍，我們可以應用不同的濾波技術來消除噪聲的影響。使用LDO是另一種有效方法，但需要仔細權衡PSRR與電壓裕量；電壓裕量決定器件的效率，尤其是在動態輸出電壓或負載條件變化的情況下。
第二部分將重點介紹如何通過電流基準DC-DC轉換器設計來優化LDO電壓裕量控制。文章將涉及實際的實現方案、電路仿真和性能評估，并重點說明噪聲敏感型應用的關鍵考慮因素。
參考文獻
1 Aldrick Limjoco和Jefferson Eco，“鐵氧體磁珠揭秘”，《模擬對話》，第50卷，2016年2月。
2 Glenn Morita，“理解低壓差穩壓器(LDO)，實現系統優化設計”，模擬對話，第48卷，2014年12月。
3 Yu Lu和Hugh Yu，“低噪聲Silent Switcher μModule和LDO穩壓器有助于改善超聲噪聲和圖像質量”，《模擬對話》，第56卷，2022年4月。
作者簡介
Kyosuke Shimo于2022年作為應屆畢業生加入ADI日本公司，目前在工業客戶解決方案部擔任現場應用工程師。他負責為電源產品提供技術支持，并與客戶緊密合作，解決技術挑戰和提出創新解決方案。Kyosuke曾在東京都立產業技術高等專門學校(KOSEN)學習電氣和電子工程，于2022年獲得東京都立大學碩士學位。他相信，無論是電路設計還是咖喱烹飪，“SPICE”都是關鍵。
Ino Lorenz Ardiente目前在ADI菲律賓公司的電源解決方案部擔任電源架構工程師。他擁有馬尼拉市立大學（Pamantasan ng Lungsod ng Maynila）電子工程學士學位和馬普阿大學電力電子研究生文憑。2025年加入ADI之前，他在高功率AC-DC和DC-DC轉換器的設計、測試和評估方面擁有6年多的從業經驗。
Aldrick S. Limjoco目前在ADI菲律賓公司的電源解決方案部擔任高級經理兼電源架構師。自2006年加入ADI以來，他一直專注于電源管理領域，并擔任過多種工程職務，涵蓋設計評估、產品應用和應用研究等方面。Aldrick目前擁有三項美國專利，已撰寫/合作撰寫關于開關穩壓器輸出紋波測量技術、新型低紋波電源應用技術和鐵氧體磁珠復雜性等主題的技術文章。他擁有愛爾蘭利默里克大學工程碩士學位和菲律賓馬尼拉德拉薩大學電子工程學士學位。
