【導(dǎo)讀】本文討論了一種簡單而有效的低壓差(LDO)穩(wěn)壓器電壓裕量（LDO輸出電壓與輸入電壓之差）控制方法，即采用基于電流源基準架構(gòu)的開關(guān)穩(wěn)壓器。它通過一種結(jié)構(gòu)化方式來控制LDO裕量，同時確保在不同輸出電壓下實現(xiàn)高效率與低噪聲的平衡。文中包括實際電路實現(xiàn)方案、基于仿真的驗證和實際性能結(jié)果，重點強調(diào)了節(jié)能且噪聲敏感系統(tǒng)的設(shè)計考量因素。
引言
本文是兩篇系列文章的第二部分。第一部分聚焦于識別開關(guān)穩(wěn)壓器中的各種噪聲源，分析其對各種模擬信號鏈器件的影響，并概述了減輕噪聲影響以提升性能的策略。第二部分介紹采用電流基準開關(guān)穩(wěn)壓器的低壓差(LDO)裕量控制的設(shè)計與實現(xiàn)方案。圖1所示架構(gòu)利用電流源基準開關(guān)穩(wěn)壓器，根據(jù)電流源基準(IREF)和連接到SET（或ISET，取決于產(chǎn)品）引腳的外部電阻，生成輸出電壓。
圖1.具有電壓裕量控制功能的電流源基準架構(gòu)降壓轉(zhuǎn)換器和LDO穩(wěn)壓器框圖
這種方法的一個關(guān)鍵特點是，SET引腳能以任何電壓源為基準，而不局限于GND。這意味著輸出電壓可以跟蹤另一個電壓（例如后置穩(wěn)壓器LDO的輸出），并通過RSET電阻設(shè)定一個額外的偏移量。對于需要在動態(tài)調(diào)整輸出電壓的的同時保持LDO電壓裕量穩(wěn)定的應(yīng)用，這種靈活性至關(guān)重要。
例如，若將RSET電阻連接到圖1所示后置LDO的輸出端，則降壓穩(wěn)壓器的輸出電壓(Buck OUT)或LDO的輸入電壓(LDOIN)可根據(jù)公式1確定。
這種配置確保了無論LDO輸出電壓(LDOOUT)如何變化，降壓轉(zhuǎn)換器都會動態(tài)調(diào)整輸出以使LDO的電壓裕量保持恒定。此方法非常適合LDO輸出動態(tài)調(diào)整的應(yīng)用，因為有助于在保持穩(wěn)壓性能的同時維持高效率。電壓裕量通常由系統(tǒng)設(shè)計人員根據(jù)應(yīng)用的優(yōu)先要求設(shè)定，以實現(xiàn)電源電壓抑制比(PSRR)與效率的平衡。例如，若設(shè)計人員要求LDO具有特定電壓裕量，則應(yīng)按照公式2選擇SET電阻(RSET)。
這種設(shè)計配置非常穩(wěn)健。即使由于過載或?qū)Φ赜捕搪罚笾肔DO輸出降至零或接近零，電流源基準開關(guān)穩(wěn)壓器也會繼續(xù)保持高于LDO輸出的電壓裕量，從而確保LDO保持偏置狀態(tài)，并能在故障清除后恢復(fù)正常。裕量電壓應(yīng)設(shè)置為高于LDO的最小工作輸入電壓，以確保LDO正常啟動，并能從故障狀況中恢復(fù)。
圖2是另一個示例，通過在INTVCC和ISET引腳之間連接一個二極管，確保LDO電壓始終高于最小工作電壓VIN。
圖2.基于LTC3649和LT3086的0.5V至32V、2.1A、低噪聲、高效率電源
施加到下游LDO(LT3086)的最小電壓通過如下方式確定：從LTC3649的內(nèi)部穩(wěn)壓器電壓(INTVCC)穩(wěn)壓值（通常為3.45V）中減去二極管的正向電壓Vd（通常為0.7V）。因此，LT3086的輸入電壓約為2.75V。
然而，這款LDO的最低工作輸入電壓為1.4V，因此可以在不影響穩(wěn)壓器功能的情況下進一步降低輸入電壓。具體可以通過在二極管上串聯(lián)一個電阻RINTVCC來實現(xiàn)，如圖3所示。
圖3.RINTVCC與二極管串聯(lián)以降低輸入電壓
串聯(lián)電阻RINTVCC用于調(diào)整施加到LDO的期望最小輸入電壓Vmin，具體的值可通過公式3計算。
例如，LDO裕量配置為0.5V (RSET = 10kΩ)，最小工作輸入電壓為1.4V。LTC3649的內(nèi)部穩(wěn)壓器電壓VINTVCC在3.25V（最小值）到3.65V（最大值）之間變化。最小輸入電壓(Vmin)設(shè)置為1.8V，以便有足夠的余量來應(yīng)對各種變化，例如VINTVCC變化、二極管正向壓降、電流源變化和電阻容差。然后將這些值代入公式3，得出RINTVCC值為7.3kΩ。
從E24電阻系列中，選擇標準值7.5kΩ作為RINTVCC值，這樣可以滿足目標電壓要求。
圖4所示應(yīng)用涉及一個熱電控制器(TEC)，其工作電壓范圍為0V至9V，用于溫度控制，LDO輸出(LDOOUT)根據(jù)TEC命令信號動態(tài)設(shè)置。開關(guān)穩(wěn)壓器可以是Silent Switcher? 3 (SS3)或任何電流源基準降壓轉(zhuǎn)換器。 這樣，從低頻到開關(guān)穩(wěn)壓器的開關(guān)頻率范圍，都能實現(xiàn)低噪聲性能。
圖4.低噪聲、可調(diào)電壓電源，用于驅(qū)動高壓TEC
仿真和測試結(jié)果
為了證明所提出的設(shè)計方法有效，降壓轉(zhuǎn)換器采用18VIN、1A SS3降壓穩(wěn)壓器LT83201，而LDO采用可調(diào)1.1A單電阻低壓差穩(wěn)壓器LT3080，如圖5所示。這款LDO非常適合精密電壓調(diào)節(jié)應(yīng)用，支持輸出電壓調(diào)低至0V。
LT3080 LDO需要典型值1.35V VCONTROL來保持適當(dāng)?shù)妮敵鲭妷赫{(diào)節(jié)。為了滿足這一要求，并確保電路在各種條件下都能穩(wěn)定運行，圖5中的設(shè)計在LDO輸入電壓和輸出電壓之間提供了1.5V的電壓裕量。
RSET值可通過公式4計算。
圖6展示了使用LTspice?仿真得到的LDO輸出電壓與輸入電壓之間關(guān)系的結(jié)果。命令電壓施加于LT3080的SET引腳，在5ms內(nèi)從0V升至9V，然后在接下來的5ms內(nèi)降回0V，以此模擬輸出電壓的動態(tài)調(diào)整。
圖5.LT3080 LDO采用LT83201電流源基準架構(gòu)
仿真結(jié)果顯示，連接到降壓穩(wěn)壓器輸出端的LDO輸入電壓始終比輸出電壓高出1.5V。只要電壓裕量保持在LDO的最小裕量要求之上，即可在整個工作范圍內(nèi)維持穩(wěn)壓，避免電壓驟降。
圖6.LDO電壓裕量控制在不同輸出電壓下的仿真結(jié)果
除了仿真工作外，我們還利用EVAL-LT83201-AZ和DC995A實現(xiàn)了這種設(shè)計方法，以證明所提出概念的可行性。在整個測試過程中，電壓裕量保持在約1.5V。與此同時，使用100Hz鋸齒波驅(qū)動LT3080的SET引腳，電壓在0V至9V之間循環(huán)，以此體現(xiàn)電壓裕量的動態(tài)調(diào)整能力。這款硬件將本文所提出方法從仿真推向了現(xiàn)實，并為實際的實現(xiàn)方案提供了具體途徑。測試結(jié)果如圖7所示。
圖7.輸出電壓變化情況下LDO裕量電壓跟蹤的基準測量結(jié)果
系統(tǒng)效率和輸出噪聲
LDO級采用電壓裕量控制的一個顯著優(yōu)勢在于，整體效率會得到提高。圖8a中的系統(tǒng)效率曲線清楚反映了這一優(yōu)勢。與沒有電壓裕量控制的系統(tǒng)（橙色所示）相比（其中無論LDO輸出電壓如何，開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出都保持在10.5V），具有電壓裕量控制的系統(tǒng)（藍色所示）在整個輸出電壓范圍內(nèi)實現(xiàn)了更高的整體系統(tǒng)效率。當(dāng)負載固定在1A時（圖8b），電壓裕量控制的優(yōu)勢更加明顯。如圖所示，禁用電壓裕量控制可防止可調(diào)輸出電壓被調(diào)整至5V以下。這種限制是LDO的熱損耗約束和封裝散熱限制造成的。
圖8.效率比較：(a)負載為9Ω電阻；(b)負載為1A電流
圖9顯示了采用后置LDO和不采用后置LDO的開關(guān)穩(wěn)壓器的頻率輸出頻譜對比。測量在系統(tǒng)輸出端進行。開關(guān)穩(wěn)壓器的輸入電壓設(shè)定為18V，而LDO的輸出電壓在兩種配置下均設(shè)定為1.8V，負載電流均為500mA。電壓裕量設(shè)置為1.5V。如圖9所示，開關(guān)穩(wěn)壓器和LDO的組合用作后置濾波器，能夠有效衰減基波紋波和諧波成分。LT3080的高PSRR在降噪方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，能夠濾除紋波及其諧波，從而產(chǎn)生更干凈的輸出電壓。這凸顯了使用LDO的關(guān)鍵優(yōu)勢，即抑制開關(guān)噪聲，同時確保精準的電壓調(diào)節(jié)和良好的動態(tài)性能。
圖9.頻率輸出頻譜比較
設(shè)計考量因素
務(wù)必注意所用開關(guān)穩(wěn)壓器的絕對最大額定值，尤其是SET和OUTS引腳。對于LT83201，這兩個引腳的最大額定電壓均為13V。這意味著，要使用這款器件，LDO輸出電壓與其所需裕量之和必須始終低于13V。遵守這些限制可確保設(shè)計的完整性，防止對器件造成潛在損壞。然而，在可變輸出電壓需要超出SET和OUTS引腳絕對最大額定值的系統(tǒng)中，可以實現(xiàn)一個分壓網(wǎng)絡(luò)來降低施加于SET和OUTS引腳的電壓，如圖10所示。這種方法允許主輸出電壓以較高電平工作，同時確保SET/OUTS引腳電壓處于安全工作限值內(nèi)。
圖10.基于LT3080的LT83201設(shè)計方案，輸出電壓可調(diào)，最高可達15V
在圖10的示例設(shè)計中，系統(tǒng)需要最大15V輸出電壓，但受限于LT83201 SET引腳的絕對最大額定值，15V LDO輸出不能直接連接到該引腳。相反，LDO輸出信號首先通過電阻分壓器進行縮減，使得SET引腳電壓始終在絕對最大額定值范圍內(nèi)。建議在最大輸出電壓時，將SET引腳電壓配置為12V。在這種情況下，電阻值（R5和R6）可根據(jù)公式5進行選擇。
但是，為了確保系統(tǒng)能夠從0V開始上電，R5和R6的并聯(lián)組合乘以ISET的結(jié)果必須等于或大于LDO所需的裕量電壓。為確保不超過任何額定值，它應(yīng)小于SET引腳的絕對最大額定值，如公式6所示。
其中，Vheadroom是所需的最小LDO裕量電壓，SET (abs max rating)是SET引腳的最大額定電壓。
同時運用公式5和公式6可計算出R6，如公式7所示。
在圖10中，設(shè)計需要1.5V的裕量電壓，因此R6的計算結(jié)果為50kΩ。然后可通過公式5確定R5，計算結(jié)果為21.43kΩ。可將標準22kΩ電阻用于R5。
選擇SET引腳的分壓網(wǎng)絡(luò)后，必須計算OUTS引腳的分壓網(wǎng)絡(luò)。如LT83201數(shù)據(jù)手冊中所述，建議適當(dāng)選擇R1和R3的電阻值，使其阻抗小于5kΩ，以確保其引入的噪聲低于器件本身引入的噪聲。因此，假設(shè)R3為固定值10kΩ，則R1的值可通過公式8確定。
仿真結(jié)果如圖11a所示。為確保實現(xiàn)適當(dāng)?shù)碾妷赫{(diào)節(jié)，必須維持數(shù)據(jù)手冊所示的最小負載電流。對于LT3080而言，至少需要1mA的負載電流才能使輸出在各種工作條件下保持穩(wěn)定。但請注意，當(dāng)輸出電壓降低時，裕量電壓會略有增加，如圖11a所示。由于SET和OUTS引腳的分壓網(wǎng)絡(luò)比率不同，LDO的輸入輸出電壓差會呈現(xiàn)一個微小斜率，導(dǎo)致裕量電壓發(fā)生變化，而不是像圖11b中所示那樣在所有輸出電壓下保持恒定。然而，這種設(shè)計考量，即在最大輸出電壓下設(shè)置1.5V的裕量，可確保在所有輸出電壓下保持所需的LDO裕量。
圖11.(a) LDO輸出電壓和輸入電壓；(b) 裕量電壓變化
結(jié)語
本文介紹了一種簡單而有效的方法，利用電流基準開關(guān)穩(wěn)壓器來管理LDO電壓裕量。即使采用不支持電壓輸入輸出控制(VIOC)功能的LDO，也能實現(xiàn)動態(tài)裕量控制。通過應(yīng)用電壓裕量控制技術(shù)，并借助仿真、實際電路實現(xiàn)方案和基準測試數(shù)據(jù)來驗證設(shè)計，這種解決方案的有效性得到了充分證實。結(jié)果表明，使用LDO后置濾波器可以顯著提高輸出頻譜的純凈度，降低基波輸出紋波和諧波，同時也為精準控制電壓裕量提供了一種有效的策略。實際測量結(jié)果顯示，開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出緊緊跟隨LDO的輸出，兩者之間保持一個固定的電壓偏移量，具體的偏移量可通過單個電阻精確配置。它在不同輸出電壓下實現(xiàn)了效率與低噪聲的平衡，讓系統(tǒng)工程師可獲得高效、低噪聲的供電系統(tǒng)。此外，對于某些應(yīng)用場景，例如在低LDO輸出電壓條件下保持LDO的最小工作電壓，或在高LDO輸出電壓條件下確保電流基準開關(guān)穩(wěn)壓器的引腳電壓低于絕對最大額定值，本文展示了一些電路設(shè)計變通方案的示例。
作者簡介
Kyosuke Shimo于2022年作為應(yīng)屆畢業(yè)生加入ADI日本公司，目前在工業(yè)客戶解決方案部擔(dān)任現(xiàn)場應(yīng)用工程師。他負責(zé)為電源產(chǎn)品提供技術(shù)支持，并與客戶緊密合作，解決技術(shù)挑戰(zhàn)和提出創(chuàng)新解決方案。Kyosuke曾在東京都立產(chǎn)業(yè)技術(shù)高等專門學(xué)校(KOSEN)學(xué)習(xí)電氣和電子工程，于2022年獲得東京都立大學(xué)碩士學(xué)位。他相信，無論是電路設(shè)計還是咖喱烹飪，“SPICE”都是關(guān)鍵。
Ino Lorenz Ardiente目前在ADI菲律賓公司的電源解決方案部擔(dān)任電源架構(gòu)工程師。他擁有馬尼拉市立大學(xué)(Pamantasan ng Lungsod ng Maynila)電子工程學(xué)士學(xué)位和馬普阿大學(xué)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(zhuǎn)換器的設(shè)計、測試和評估方面擁有6年多的從業(yè)經(jīng)驗。
Aldrick S. Limjoco目前在ADI菲律賓公司的電源解決方案部擔(dān)任高級經(jīng)理兼電源架構(gòu)師。自2006年加入ADI以來，他一直專注于電源管理領(lǐng)域，并擔(dān)任過多種工程職務(wù)，涵蓋設(shè)計評估、產(chǎn)品應(yīng)用和應(yīng)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(guān)于開關(guān)穩(wěn)壓器輸出紋波測量技術(shù)、新型低紋波電源應(yīng)用技術(shù)和鐵氧體磁珠復(fù)雜性等主題的技術(shù)文章。他擁有愛爾蘭利默里克大學(xué)工程碩士學(xué)位和菲律賓馬尼拉德拉薩大學(xué)電子工程學(xué)士學(xué)位。
