理解线性稳压器噪声的混合电源

在许多应用中，工程师团队一个开关DC-DC电压转换器(“开关稳压器”)与低辍学线性稳压器(LDO)。这样的混合供电是一种很好的方式，以最大限度地延长电池寿命，同时保持适用于敏感的模拟电路电池供电产品的无噪声电源。

但是，“无噪声”只是相对而言的，因为再好的低压降稳压器产生一些噪音。许多工程师认为，噪声的LDO的输出仅仅是它的电源抑制比(PSRR)的函数。当在一系列具有开关调节器中使用，PSRR确实是如何在LDO涉及在开关稳压器的输出上的电压和电流波动的良好量度 - PSRR但不应该在其上的LDO被选择的唯一标准。

该LDO具有其内部元件产生的内部噪声的几个来源，更糟糕的是，一些本是频率的函数。它是PSRR和内部噪声的这种组合，其确定LDO的输出的稳定性。

本文介绍了如何结合的LDO可以为连接，无线便携产品很好的解决的开关稳压器，进而导致在解释为什么该工程师分析LDO的数据表，以确保它是非常重要的，它从电力供应仍然整体噪音内的最终产品规范。

LDO和开关稳压器相比，

电池供电的便携式设备需要的电压调节，以确保两个电池寿命最大化和敏感的硅喂以精确和不变的电压它要求。此外，规定确保了电源可以对应于宽的负载范围内，而不过度受电池。

电压调节归结为两个选择，一个LDO或一个开关调节器。低压降稳压器是相对便宜，小巧，并提供“干净”电源(但不是完全纯粹的，因为我们将在下面讨论)优雅的设备。任何一个合格的电子工程师可以设计使用商用模块化LDO，只是三个外部无源元件的电源。此外，还有一个巨大的范围可供选择高度可靠的LDO。凌力尔特公司令人尊敬的LT1084，例如，开发二十年前，今天仍然是可用的。

线性稳压器的缺点是缺乏在宽电压范围内的效率，并限制到降压(或“降压”)的配置。

LDO的基本前提是利用一个反馈回路，包括一个基准电压，误差放大器，一个场效应晶体管(FET)以线性模式操作时，和一个电阻分压器。而电阻分压器设定的输出电压时，FET使LDO无论负载，以提供一个恒定的输出电压。误差电路确保输出被维持在所期望的电压。图1示出的LDO的简化示意图。

德州仪器LDO示意图像

图1：一个LDO的基本要素。 (德州仪器提供)

LDO的效率是正比于输入和输出电压之间的差异;的差以下时，更高效的设备。功率横跨FET和电阻分压器和跨在LDO大的电压差消散可导致热量积聚，其​​可呈现在紧凑便携式一个挑战。

在达到某一程度时，在电池电压下降到一定水平，从而使LDO不再能够维持所希望的输出和“滴出”。这一级被称为释放电压。更高规格的设备会容忍更低的压差电压低于昂贵的设备。例如，凌力尔特的LT3070 LDO - 这从0.95至3 V输入产生0.8〜1.8 V输出高达5 A - 拥有的只是85 mV的压差电压。然而，即使是最好的LDO将可能退出而一些容量仍停留在细胞内，减少潜在的电池寿命。

开关稳压器在20世纪60年代被引入了在宽电压和负载范围的高效率的主要优势。效率在低负载是早期的设备问题，但已基本得到解决与“脉冲跳跃”技术(见技术专区文章“的脉冲频率调制的DC / DC开关电压转换器的优势”)。

开关稳压器使用一个或两个FET，但不像在LDO，这些操作 - 作为产品说明建议 - 在切换模式。当FET是上并导通电流，在其电源通路上的电压降最小。当FET关闭和阻塞高压，几乎没有电流通过它的电源通路。这些特性保证很少的电力消耗在稳压器提高工作效率。一个现代的12 VIN，3.3 VOUT同步 - 开关降压稳压器，如国际整流器公司(IR)IR3898一般可以达到90%的效率(比从LDO在相同条件下工作27.5%)。

与低压降稳压器，还有种类繁多的开关电源可从主要供应商如飞思卡尔，美信，安森美半导体和德州仪器(TI)。

的开关稳压器的缺点是尺寸(虽然功率密度优于的LDO)，成本，设计复杂，和噪声。最后两个数据项都相关的，因为大部分的设计的复杂性有关，电感器的选择和要求确保波纹的峰 - 峰值的输入和输出滤波电路的设计受到限制。电感器(S)等无源器件的正确选择，可以限制输出电压和电流纹波，但一些电磁干扰(EMI)是不可避免的(见技术专区的文章“电容的选择是关键，以良好的电压调节器设计”)。

该设计挑战是由现代偏好高频开关电源而加剧。通过在更高的频率下操作，电源可以利用较小的电感器(多个)减少其尺寸和成本。然而，高频率操作，使电磁干扰问题更加难以解决(见技术专区的文章“设计折衷选择高频开关稳压器时”)。

由开关调节器产生的EMI可以打乱其他成分，特别是在便携式产品，其中设备被密集封装和印刷电路板(PCB)迹线短。更糟糕的是 - 铭记有设计工程师热心于将RF芯片到他们最新的产品与无线连接赋予它的增长的队列----流浪EMI增加设计稳健RF电路的难度。

第三个选项

而不接受通过选择一个LDO或开关调节器引入的妥协，许多进取工程师已经由一个开关调节器的输出直接链接到LDO的输入创建混合电源拓扑。

开关稳压器接受宽范围的输入电压，并有效地调节到一个更高，更低，或倒置的供应。另外，如果开关装置的输出(即，输入到LDO)被设定为使得它仅稍微大于所述电源的要求输出，在LDO可以连续在其最有效的范围内工作。

这种混合供给背后的关键前提是在LDO过滤开关稳压器的纹波影响调节的输出，从而消除潜在的EMI问题并避免了要求花费时间长炼PCB设计和计算所述电感和电容值的输出滤波电路(如将是这种情况，如果开关调节器被用在其自身)。其他优点还包括电源，具有改善了稳定性，精确度更高，更快的瞬态响应，并降低了输出阻抗(见技术专区的文章“混合电源交付无噪声电压的敏感电路”)。

不幸的是，事情并不仅仅是选择两个监管机构和连接在一起稍微复杂一点。

控制噪音

的LDO的平滑开关电源的电压和电流纹波能力的衡量标准是PSRR。 PSRR量化LDO的过滤器从它的输入如何波纹(在这种情况下，开关调节器的输出)在很宽的频率范围，并表示为分贝(dB)。 (工程师应该注意到，根据脉动频率的PSRR响应而变化。以确保该开关稳压器的工作频率相匹配是很重要的，或至少是接近，LDO的最好的PSRR频率响应。)

许多工程师的结论是，所提供的PSRR是好的，那么一切都会好起来的混合电源。这不是这种情况，因为，如上所述，包括的LDO电压基准，场效应晶体管，电阻器，和其它外部电路会引入额外的(和不显着)噪声独立地PSRR的(见图2)。具有良好的PSRR，但高的自感应噪声的LDO将是从混合供给产生一个干净的电压一个糟糕的选择。因此，重要的是对入围的设备的数据表的工程师同时检查PSRR和内部噪声参数。

德州仪器噪声线性稳压器图片

图2：从线性稳压器的噪声包括外部噪声，内部噪声，并且拒绝后遗留下来的。 (德州仪器提供) [p]

图1中的简化框图显示了在一个LDO生成主噪声，元件具体地，温度补偿的电压基准(“带隙”)，该电阻分压器，运算放大器的输入级，并且在较小的程度时，FET。

带隙是噪音的主要来源。减小此噪声的一种方法是减小LDO内的误差放大器的带宽。这确实具有降低器件的瞬态响应的缺点。包括一个大的内部电阻和外部电容器 - - 可替代地，该噪声可以通过增加一个大的低通滤波器(LPF)来消除在带隙输出，以使​​小的噪声使得它到增益级(这同样过滤器还改善了PSRR)。

电阻分压器网络是另一个贡献者LDO的总噪声。这个噪声是在热性质，从而增加随着温度的升高。电阻分压器被连接到LDO的差动放大器的输入，由成比例的量的调节器的闭环增益放大噪声。

差分放大器本身构成噪声的LDO产生最终显著源。放大器典型地设计成使输入级具有大量增益。因此，从在位于输入级之后的信号路径装置未来任何噪声由输入级的增益衰减，在介回输入。还有就是内部电路可以做，以减少这种来源的噪音之外什么都没有。

所有的主噪声源(带隙，电阻分压器，和运放输入级)被连接到差分放大器的输入端，因此不被任何内部增益衰减。出人意料的，电源旁路FET，通常占至少一半的LDO的总裸片面积，不出力，因为它缺乏增益的噪音。

用于从一个给定的LDO估计输出噪声的过程是首先参阅每个噪声贡献者运算放大器输入。例如，要查找从通FET的工程师首先需要除以它和运算放大器输入端之间存在的开环增益的噪声贡献的噪音。该增益通常是相当大的，确保从通FET的噪声贡献通常是可以忽略不计。

许多工程师选择不从头设计一个LDO，而是宁愿从广泛的可用成熟的模块化解决方案中进行选择。尽管如此，它仍然是非常重要的，以确定模块化LDO将多少噪声添加到混合电源。

尽管LDO的制造商往往倾向于兜售PSRR为抑制噪声的关键性能数据，通过仔细阅读数据表的工程师将会发现通过设备本身有多大的噪音产生过相关的频率信息的小字范围内。

此信息通常表示两种方式。第一是总(集成)输出噪声(在μVRMS)，这是频谱噪声密度集成在一个有限的频率范围内的RMS值。第二中示出的频谱噪声密度曲线(以μV/√Hz的)，这是噪声密度与频率的曲线的形式。图3显示了来自德州仪器的TPS717xx系列线性稳压器的数据表信息。的TPS71733，例如，提供了从高达6.5 V的输入的3.3 V输出150毫安，并且具有30μVRMS噪声等级在100赫兹至100千赫兹的范围。

德州仪器的TPS717xx LDO频谱噪声密度曲线的图像

图3：PSRR，从数据表TI的TPS717xx LDO总输出噪声和频谱噪声密度曲线。

由于单个数字指定的总输出噪声电压，它是用于比较目的非常有用的。然而，当不同的LDO噪声规范进行比较时，重要的是，该比较是在相同的频率范围，并在同一输出电压和电流值。

低噪声LDO

有一些在市场上非常低噪声LDO。例如，凌力尔特的LT3090 - 它提供了一个0〜32 V电压高达600 mA的输出从1.5到36 V电源 - 有18μVRMS(见图4)的噪声水平。

凌力尔特的图的低噪声LDO LT3090

图4：凌力尔特的低噪声LDO LT3090。

Maxim的MAX8510可以从可达6 V的装置的噪声等级为11μVRMS在100赫兹至100千赫兹范围的输入电压产生高达10的电压输出，范围从1.5到4.5伏，在高达120毫安。

就其本身而言，飞​​兆半导体提供FAN25800，它被指定为8μVRMS噪音等级在10 Hz到100 kHz的范围内。该LDO工作在高达5.5 V的输入，并提供2.8 V输出，高达250 mA的电流。

两者的PSRR和LDO噪声是重要的指标选择一个LDO的混合动力车-电源时也可以考虑。当比较装置，它选择具有一个良好的PSRR的产物，以及考虑的频率范围通过其相关联的开关稳压器将操作，以确保它与LDO的最佳PSRR一致是重要的。然而，同样重要的是要考虑有多少噪音LDO本身产生。有在选择该平滑的电压和电流波动从开关稳压器，如果输出供应由LDO自身内部产生的噪音，那么损坏的设备的小点。