LDO的运行困境之一：低裕量

开关模式DC-DC转换器是最高效的电源，有些器件效率可超过95%，但其代价是电源噪声，通常在较宽带宽范围内都存在噪声问题。通常用低压差线性调节器(LDO)清除供电轨中的噪声，但也需要，在功耗和增加的系统热负荷之间做出权衡。为了缓解这些问题，使用LDO 时，可使输入和输出电压之间在较小的压差（裕量电压）。本文旨在讨论低裕量电压对电源抑制和总输出噪声的影响。

LDO电源抑制与裕量

LDO电源抑制比(PSRR)与裕量电压相关——裕量电压指输入与输出电压之差。对于固定裕量电压，PSRR随着负载电流的提高而降低，大负载电流和小裕量电压条件下尤其如此。图1所示为ADM7160超低噪声、2.5V线性调节器在200mA 负载电流和200mV、300mV、500mV 和1V 裕量电压条件下的PSRR。随着裕量电压的减小，PSRR也会减小，压差可能变得非常大。例如，在100kHz下，裕量电压从1V 变为500 mV，结果将使PSRR减少5dB。然而，裕量电压的较小变化，从500mV变为300mV，结果会导致PSRR下降18dB以上。

图1. ADM7160 PSRR与裕量

图2显示了LDO的框图。随着负载电流的增加，PMOS调整元件的增益会减小，它脱离饱和状态，进入三极工作区。结果使总环路增益减小，导致PSRR下降。裕量电压越小，增益降幅越大。随着裕量电压继续减小到一个点，此时，控制环路的增益降至1，PSRR降至0dB。

导致环路增益减小的另一个因素是通路中元件的电阻，包括FET的导通电阻、片内互连电阻和焊线电阻。可以根据压差推算出该电阻。例如，采用WLCSP封装的ADM7160在200mA下的最大压差为200mV。利用欧姆定律，调整元件的电阻约为1Ω，可以把调整元件近似地当作固定电阻与可变电阻之和。

流过该电阻的负载电流导致的压差减去FET的漏极源极工作电压。例如，在1 Ω FET条件下，200 mA的负载电流会使漏极源极电压下降200 mV。在估算裕量为500 mV或1 V的LDO的PSRR时，必须考虑调整元件上的压差，因为调整FET的工作电压实际上只有300 mV或800 mV。

图2. 低压差调节器的框图

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容差对LDO裕量的影响

客户通常要求应用工程师帮助他们选择合适的LDO，以便在负载电流Z条件下从输入电压Y产生低噪声电压X，但在设置这些参数时，往往忽略了输入和输出电压容差这个因素。随着裕量电压值变得越来越小，输入和输出电压的容差可能对工作条件造成巨大的影响。输入和输出电压的最差条件容差始终会导 致裕量电压下降。例如，最差条件下的输出电压可能高1.5%，输入电压可能低3%。当通过一个3.8 V源驱动3.3 V的调节器时，最差条件裕量电压为336.5 mV，远低于预期值500 mV。在最差条件负载电流为200 mA的情况下，调整FET 的漏极源极电压只有136.5 mV。在这种情况，ADM7160 PSRR可能远远低于标称值55 dB（10 mA时）。

压差模式下的LDO的PSRR

客户经常会就LDO在压差模式下的PSRR请教应用工程师。开始时，这似乎是个合理的问题，但只要看看简化的框图，就知道这个问题毫无意义。当LDO工作于压差模式时，调整FET 的可变电阻部分为零，输出电压等于输入电压与通过调整FET 的RDSON的负载电流导致的压降之差。LDO不进行调节，而且没有增益来抑制输入端的噪声；只是充当一个电阻。FET的RDSON与输出电容一起形成一个RC滤波器，提供少量残余PSRR，但一个简单的电阻或铁氧体磁珠即可完成同一任务，而且更加经济高效。

在低裕量工作模式下维持性能

在低裕量工作模式下，需要考虑裕量电压对PSRR的影响，否则，会导致输出电压噪声水平高于预期。如图3 所示的PSRR与裕量电压关系曲线通常可在数据手册中找到，而且可以用来确定给定条件下可以实现的噪声抑制量。

图3. PSRR与裕量电压的关系

然而，有时候，通过展示LDO的PSRR如何有效滤除源电压中的噪声，可以更加容易地看到这种信息的利用价值。下面的曲线图展示了LDO在不同裕量电压下时，对总输出噪声的影响。

图4展示的是2.5 V ADM7160在500 mV裕量和100 mA负载条件下，相对于E3631A台式电源的输出噪声，该台式电源在20 Hz至20 MHz范围内的额定噪声低于350μV_rms。1 kHz以下的许多杂散为与60 Hz线路频率整流相关的谐波。10kHz以上的宽杂散来自产生最终输出电压的DC-DC转换器。1 MHz以上的杂散源于环境中与电源噪声不相关的RF 源。在10Hz至100kHz范围内，这些测试所用电源的实测噪声为56 μV_rms，含杂散为104μV。LDO抑制电源上的所有噪声，输出噪声约为9 μV_rms。

图4. ADM7160噪声频谱密度（裕量为500 mV）

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当裕量电压降至200 mV时，随着高频PSRR接近0 dB，100 kHz以上的噪声杂散开始穿过噪底。噪声略升至10.8 μV rms。随着裕量降至150 mV，整流谐波开始影响输出噪声，后者升至12μVrms。在大约250 kHz 处出现幅度适中的峰值，因而尽管总噪声的增加量并不大，但敏感电路也可能受到不利影响。随着裕量电压进一步下降，性能受到影响，与整流相关的杂散开始在噪声频谱中显现出来。图5所示为100-mV裕量条件下的输出。噪声已上升至12.5 μV rms。谐波所含能量极少，因此，杂散噪声只是略有增加，为12.7 μV_rms。

图5. ADM7160噪声频谱密度（裕量为100 mV）

当裕量为75 mV时，输出噪声受到严重影响，整流谐波出现在整个频谱中。Rms噪声升至18 μV_rms，噪声与杂散之和升至27μV_rms。超过~200 kHz范围的噪声被衰减，因为LDO环路无增益，充当一个无源RC滤波器。当裕量为65 mV时，ADM7160采用压差工作模式。如图6 所示，ADM7160的输出电压噪声实际上与输入噪声相同。现在，rms噪声为53 μV_rms，噪声与杂散之和为109 μV_rms。超过~100 kHz 范围的噪声被衰减，因为LDO充当一个无源RC滤波器。

图6. ADM7160在压差模式下的噪声频谱密度

高PSRR、超低噪声LDO

如ADM7150超低噪声、高PSRR调节器一类的新型LDO实际上级联了两个LDO，因此，结果得到的PSRR约为各个级之和。这些LDO要求略高的裕量电压，但能够在1 MHz条件下实现超过60 dB的PSRR，较低频率下，PSRR可以远超100 dB。

图7所示为一个5 V的ADM7150的噪声频谱密度，其负载电流为500 mA，裕量为800 mV。10 Hz至100 kHz范围内，输出噪声为2.2 μV_rms。随着裕量降至600 mV，整流谐波开始显现，但当输出噪声升至2.3 μV_rms时，其对噪声的影响很小。

图7. ADM7150噪声频谱密度（裕量为800mV）

当裕量为500 mV时，可在12 kHz处明显看到整流谐波和峰值，如图8所示。输出电压噪声升至3.9 μV_rms。

图8. ADM7150噪声频谱密度（裕量为500 mV）

当裕量为350 mV时，LDO采用压差工作模式。此时，LDO再也不能调节输出电压，充当一个电阻，输出噪声升至近76μV_rms，如图9所示。只有FET的R_DSON和输出端的电容形成的极点衰减输入噪声。

图9. ADM7150在压差模式下的噪声频谱密度

结论

现代LDO越来越多地用于清除供电轨中的噪声，这些供电轨通常通过可以在较宽频谱下产生噪声的开关调节器实现。开关调节器以超高的效率形成这些电压轨，但本身耗能的LDO既会减少噪声，也会导致效率下降。因此，应尽量降低LDO的工作裕量电压。

如前所述，LDO的PSRR为负载电流和裕量电压的函数，会随负载电流的增加或裕量电压的减少而减少，因为，在调整管的工作点从饱和工作区移至三极工作区时，环路增益会下降。

通过考虑输入源噪声特性、PSRR和最差条件容差，设计师可以优化功耗和输出噪声，为敏感型模拟电路打造出高效的低噪声电源。

在裕量电压超低的条件下，输入和输出电压的最差条件容差可能对PSRR形成影响。在设计时充分考虑最差条件容差可以确保可靠的设计，否则设计的具有较低的PSRR的电源解决方案，其总噪声也会高于预期。