模擬電源設計的LDO低噪聲電源解決方案

2021-01-09 電子發燒友
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模擬電源設計的LDO低噪聲電源解決方案

德州儀器 發表於 2021-01-08 11:13:39

工程師在為時鐘、數據轉換器或放大器等用於測試、測量和無線電應用的噪聲敏感型系統設計電源時，經常遇到的一個問題是如何更大限度地降低噪聲。鑑於不同的人對「噪聲」這個術語有不同的理解，我在此聲明，本篇文章講述的噪聲是指電路中電阻器和電晶體所產生的低頻熱噪聲。您通常可將噪聲頻譜密度曲線（以微伏/平方根赫茲為單位）中100Hz至100kHz帶寬內的噪聲視為集成輸出噪聲（以均方根毫伏為單位）。電源噪聲會降低模數轉換器的性能並引起時鐘抖動。

以前，對時鐘、數據轉換器或放大器供電時，會先後採用直流/直流轉換器、低壓降穩壓器（LDO）（例如TPS7A52、TPS7A53或TPS7A54）及鐵氧體磁珠濾波器的布置，如圖1所示。這種設計方法更大限度減少了電源噪聲和紋波，並在負載電流低於2A左右時保持良好的性能。然而，隨著負載增加，LDO中的功率損耗會引發效率和熱管理問題，例如，後置穩壓LDO會在典型的模擬前端應用中增加1.5W的功率損耗。低噪聲的高效設計是不是無法實現？倒也未必。

圖1：使用直流/直流轉換器、LDO和鐵氧體磁珠濾波器的典型低噪聲架構

使用低噪聲降壓轉換器替換LDO

防止產生功率損耗的一種方法是更大限度減少通過LDO的壓降。然而，這種方法會對噪聲性能產生負面影響。此外，電流更高的LDO通常也更大，這會增加設計尺寸和成本。既能確保低噪聲又不會增加功率損耗的一種更為有效的方法是，使用低噪聲直流/直流降壓轉換器代替設計中的LDO，如圖2所示。

圖2：使用低噪聲降壓轉換器（無LDO）

我知道您的疑問：移除降低噪聲的主要器件如何還能提供低噪聲電源？其實，許多LDO在帶隙基準處都具有一個低通濾波器，用於更大限度減少進入誤差放大器的噪聲。TPS62912和TPS62913系列的低噪聲降壓轉換器使用降噪/軟啟動引腳連接電容器，並與集成的Rf和外部連接的CNR/SS組成一個低通電阻器/電容器濾波器，如圖3所示。本質上，這種結構模擬了LDO中帶隙低通濾波器的性能。

圖3：具有帶隙噪聲過濾功能的低噪聲降壓方框圖

如何降低輸出電壓紋波？

所有直流/直流轉換器都會在其開關頻率下產生輸出電壓紋波。在精密系統中，噪聲敏感型模擬電源軌需要超低的電源電壓紋波來更大限度地減少頻譜中的頻率雜散，電源電壓紋波通常取決於直流/直流轉換器的開關頻率、電感值、輸出電容、等效串聯電阻和等效串聯電感。為減少這些元件產生的紋波，工程師通常使用LDO和/或小型鐵氧體磁珠和電容器來組成π型濾波器，從而更大限度減小負載紋波。TPS62912和TPS62913等低紋波降壓轉換器通過集成鐵氧體磁珠補償和遙感反饋功能，充分利用鐵氧體磁珠濾波器。通過利用鐵氧體磁珠的電感和附加的輸出電容器，消除了輸出電壓紋波中的高頻分量，並將紋波降低了約30dB，如圖4所示。

圖4：使用鐵氧體磁珠濾波器之前的輸出電壓紋波（a）；

使用鐵氧體磁珠濾波器之後的輸出電壓紋波（b）

結論

通過集成可降低系統噪聲和紋波的特性，低噪聲降壓轉換器可幫助工程師實現不使用LDO的低噪聲電源解決方案。當然，不同應用所需的噪聲級不同，而且不同的輸出電壓需要的性能也不同。所以，您只能為設計選擇合適的低噪聲架構。如果您想簡化噪聲敏感型模擬電源設計、降低功率損耗並縮小整體設計尺寸，請考慮使用低噪聲降壓轉換器。
編輯：hfy

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