使用电流基准开关稳压器设计来优化LDO裕量节制——第一部门：噪声源、影响和计谋

发布时间：2026-05-26 来历：转载 责任编纂：lily

【导读】本文切磋了开关稳压器的各类噪声源和其对于差别模仿旌旗灯号链器件的影响。文章重点先容了几种噪声按捺计谋，包括利用低压差(LDO)稳压器作为有用的后置调治滤波器。文章还有展示了ADI公司的一系列解决方案，不仅可以或许优化差别负载前提及输出电压下的LDO效率，并且具有优良的电源噪声按捺机能。此中一种解决方案提供了一种新的要领，使LDO可以节制由电流基准架构的开关稳压器孕育发生的裕量。

弁言

设计高效且低噪声的电源解决方案，对于在使用高机能模仿旌旗灯号链的噪声敏感型体系至关主要。然而，对于在差别的体系及频率规模，噪声敏感度有所差别。有些运用（如超声成像）尤其轻易遭到低频或者1/f噪声的影响。采用高机能数据转换器的体系则很轻易遭到互调掉真的影响，此中基频输出纹波可与载波旌旗灯号彼此作用，孕育发生及差量。这些过剩的频率边带份量可能致使数据转换器的信噪比(SNR)及无杂散动态规模(SFDR)显著降落。此外，电磁滋扰(EMI)也是一个要害因素，特别是于必需遵守严酷EMI尺度及认证前提的体系中。

图1显示了典型降压调治器事情于稳态脉宽调制(PWM)模式下的噪声频谱。

此外，基频纹波和其谐波会于整个噪声谱中引入强杂散能量。基频纹波是指开关稳压器输出端存于的残存交流电压。它与稳压器的开关操作具备相关性，其基频与转换器的开关频率一致。这类伪像可能经由过程调制模仿输入载波而显著影响数据转换器，孕育发生没必要要的边带，从而降低SFDR及SNR机能，如图3所示。

图1.降压调治器输出频谱

典型降压调治器凡是会孕育发生低频宽带噪声，此噪声重要源自基准电压源的噪声。这可能致使敏感RF器件（例如集成压控振荡器(VCO)的宽带锁相环(PLL)频率合成器）呈现相位噪声问题，如图2所示。

图2.集成VCO的宽带PLL频率合成器的相位噪声

图3.16位、125 MSPS高速ADC快速傅立叶变换

第三种噪声触及高频谐波，这些谐波源在开枢纽关头点的电压振铃。这类振铃由快速开关变换(di/dt)及稳压器输入环路内寄生电感配合引起，如图4所示。这会进一步加重EMI及旌旗灯号完备性问题，并可能经由过程寄生方式耦合到稳压器的输出端。

解决噪声问题

Silent Switcher® 3 (SS3)架构有用解决了低频噪声（尤其是1/f噪声）问题，于此区域内实现了精彩的低噪声体现。

图4.降压调治器的输入电流环路及开枢纽关头点电压波形

基频纹波可经由过程多种技能来减轻。一种要领是利用RC滤波器，这类要领设计简朴，但也存于必然的局限性。为了实现充足低的3 dB截止频率，以便有用衰减纹波，需要一个年夜电容(C)及一个小电阻(R)。然而，这类配置可能会因为串联电阻而孕育发生相称年夜的功率丧失，致使其于很多运用中效率较低。不外，于电源电流相对于较低的环境下，这多是可接管的。虽然衰减斜率限定为20 dB/十倍频程，但这类要领的一个要害上风是它不需要任何磁元件。

LC滤波器也是一种常见且高效的要领。截止频率凡是设计为比开关频率低至少一个数目级。其衰减斜率更陡，到达40 dB/十倍频程，是以衰减效果更好。然而，LC滤波器的设计需要尤其小心，特别要留意谐振效应：于特定频率时，它可能不测放年夜噪声，而不是衰减噪声。这两种无源滤波器要领城市影响电压输出精度及瞬态机能。图5展示了开关稳压器输出级后安插的RC及LC滤波器。

图5.RC及LC无源滤波器

具备高增益带宽积(GBW)的LDO可以有用按捺兆赫兹规模内的基频纹波，同时实现精彩的低噪声体现。然而，必需细心衡量各类利弊，例如连结充足的电源电压制制比(PSRR)及总体效率。相较在无源滤波器，将LDO用作后置调治级的方案更具上风，包括更高的输出电压精度及更好的瞬态相应机能。为了实现优良的解决方案，务必细心均衡VIN - VOUT裕量与LDO的PSRR特征。高频谐波（凡是于100 MHz和以上的规模内）可经由过程铁氧体磁珠来有用衰减。这些元件于方针高频下体现出电阻特征，是以很是合适按捺这类高频噪声。但需要留意的是，铁氧体磁珠也会带来一些繁杂问题，例如谐振效应及差别负载前提下的阻抗变化。设计历程中必需细心评估这些因素。

为了实现精彩的高频噪声体现，可以采用Silent Switcher架构。这些设计经由过程显著降低开枢纽关头点的高频振铃来使EMI最小化，从而成为合适噪声敏感型运用的高度稳健解决方案。

开关稳压器使用LDO来加强输出噪声机能

LDO凡是放置于开关稳压器以后，用在后置调治，以滤除了某些频率规模内的噪声伪像。LDO于按捺低频（最高数百千赫兹）噪声方面凡是很是有用。高增益带宽的LDO（如LT3045）将此能力扩大到兆赫兹规模，提供优胜的PSRR机能。该器件是一款20 V、500 mA的高机能、超低噪声、超高PSRR稳压器，很是合适对于噪声敏感的运用。与无源滤波器比拟，LDO具有若干上风，包括更高的输出电压精度、加强的不变性及优胜的瞬态相应。

LDO用作后置调治滤波器时，要害参数之一是PSRR。PSRR权衡的是稳压器于一系列频率下，可以或许于多年夜水平上有用按捺或者衰减输入电源噪声，避免噪声流传到输出端并影响电压完备性。

然而，PSRR与负载电流及裕量电压（输入电压与输出电压之差）都有关。负载电流是影响LDO偏差放年夜器开环增益的要害因素，是以会直接影响PSRR机能。于轻载前提下，调解元件体现出更高的阻抗，使患上其与输出电容形成的顶点偏移至较低频率。这类偏移会加强LDO有用按捺电源纹波的能力。

而于重载前提下，偏差放年夜器的输出阻抗降低，开环增益也随之降低。增益的降低致使PSRR降落，特别是于DC与反馈环路的单元增益带宽之间的频率规模内。

跟着裕量的削减，偏差放年夜器的增益会降低，这类效应于负载电流提高时体现更较着。是以，PSRR机能于这些环境下会降落。

LDO作为后置调治滤波器很是有用，但其机能与电压裕量及负载电流紧密亲密相干，是以必需对于这两项参数举行邃密节制。虽然增长裕量可以改善电源纹波按捺，但这也会致使功耗升高，效率降低，特别是于负载电流较高的环境下。体系设计职员可以于有用的噪声滤波及充足的电压裕量之间找到均衡点，以维持高效率。这类均衡是实现总体设计的机能及节能方针的要害。

图6.功效框图

ADI优化效率及PSRR机能的要领

ADI提供差异化解决方案，将开关稳压器与LDO联合作为后置调治滤波器，具备自顺应裕量节制功效，可实现效率及电源噪声按捺的均衡。

此中一种要领基在负载电流的动态变化。低噪声微功耗治理IC ADP5003于转换的第一级集成为了高效率3 A降压调治器，其后是超低噪声3 A LDO，用来消弭开关纹波及噪声。它提供一种自顺应裕量节制配置，可以或许于最小化噪声的同时，晋升效率及散热机能，于是合用在高速数据转换器及RF收发器。图6所示为ADP5003自顺应裕量节制的功效框图。

于自顺应模式下，LDO会按照自身的负载电流，于内部调治降压转换器的输出电压，从而动态调解其裕量。如许可确保实现优良的效率及噪声体现。别的，ADP5003也可于自力模式下运行。于该模式下，降压转换器及LDO别离自力事情，输出电压经由过程外部电阻分压器零丁设置。

图7显示了整个LDO负载电流规模内的自顺应裕量节制。x轴是负载电流，y轴是LDO的裕量电压。

图7.自顺应模式裕量与负载电流的瓜葛

自顺应裕量节制模式下的裕量方案配置为于差别负载前提下连结一致的PSRR，同时晋升体系总体效率，如图8所示。

图8.LDO PSRR与频率的瓜葛

另外一种要领基在VOUT的动态变化。电压输入到输出节制(VIOC)是ADI公司某些LDO的一个要害特征。它经由过程主动调解开关稳压器的输出来维持划定的裕量电压，从而晋升体系效率。虽然VIOC不会主动选择最好PSRR，但用户可以手动界说裕量电压，为特定运用实现指望的PSRR机能。

以LT3045-1为例，该器件具备VIOC特征，是一款20 V、500 mA的超低噪声、超高PSRR线性稳压器。图9展示了一个典型VIOC运用，它被用在对于LT8608降压调治器的输出举行后置调治。VIOC电压配置为1 V，LDO的最年夜输入电压限定为16.5 V。此中还有展示了怎样利用电阻分压器来轻松配置输入到输出差模电压，使设计职员可以或许按照特定运用要求调解PSRR及功耗之间的均衡。

使用带电流基准架构的开关稳压器实现简洁的LDO裕量节制

电流基准架构是一种设计要领，它将周详电流源，而非传统的基准电压源，用作调治输出电压的焦点元件。它具备单元增益偏差放年夜器，输出电压可经由过程单一电阻轻松设置。这类要领于线性稳压器中尤其有益，而且愈来愈多地用在开关转换器，以满意高机能运用的需求。图10中的降压型IC就采用了这类架构。

图9.典型的LT3045-1后置调治运用

图10.降压型IC的电流源基准架构

ADI公司的多款线性稳压器采用了电流基准架构，例如LT3080及LT3045，实现了高精度及低噪声。LT3080是一款可调1.1 A低压差稳压器，内置周详电流源及电压追随器，可撑持需要年夜电流及输出调治能力（可调至0 V）的运用。高集成度开关转换器，例如58 V、4 A降压型µModule®稳压器LTM4653及基在SS3(第三代低噪音)技能的稳压器，经由过程采用电流基准架构来晋升低噪声机能并降低EMI，同时连结高效率及小尺寸。

电流基准架构的上风以下：

输出可调治到0 V，这于利用传统基准电压的环境下很难实现。

简化输出电压设置，由于它利用单一电阻，而非传统基准电压所需的两个电阻。节省元件数目及空间。

于整个输出电压规模内机能一致，由于它以单元增益事情，不管输出电压怎样，它都能确保不变的带宽及瞬态相应。

依附ADI的进步前辈SS3技能，输出噪声（0.1 Hz到100 kHz）于整个输出电压规模内始终连结较低程度，确保不管输出电压电平怎样，机能都很不变。

凡是，具备VIOC功效的LDO不克不及与SS3开关稳压器搭配利用，由于SS3稳压器没有通例FB引脚。图11显示了一种新架构，它利用电流源基准开关稳压器，按照开关稳压器SET引脚及LDO输出之间的电阻天生输出电压。

图11.使用电流源基准及LDO举行裕量节制的降压调治器框图

借助具备电流源基准特征的DC-DC转换器，可以巧妙高效地实现近似在进步前辈LDO的VIOC特征的功效。于此设置中，第一级开关转换器利用其SET引脚处的电流源基准，并经由过程一个电阻将其毗连到第二级LDO的输出电压，从而实现动态裕量节制并改善噪声机能。

结语

开关稳压器的噪声可能以差别方式影响模仿旌旗灯号链器件，详细取决在每一个器件对于哪一种频率最敏感。按照体系需要处置惩罚的特定频率规模，咱们可以运用差别的滤波技能来消弭噪声的影响。利用LDO是另外一种有用要领，但需要细心衡量PSRR与电压裕量；电压裕量决议器件的效率，特别是于动态输出电压或者负载前提变化的环境下。

第二部门将重点先容怎样经由过程电流基准DC-DC转换器设计来优化LDO电压裕量节制。文章将触及现实的实现方案、电路仿真及机能评估，并重点申明噪声敏感型运用的要害思量因素。

参考文献

1 Aldrick Limjoco及Jefferson Eco，“铁氧体磁珠揭秘”，《模仿对于话》，第50卷，2016年2月。

2 Glenn Morita，“理解低压差稳压器(LDO)，实现体系优化设计”，模仿对于话，第48卷，2014年12月。

3 Yu Lu及Hugh Yu，“低噪声Silent Switcher μModule及LDO稳压器有助在改善超声噪声及图象质量”，《模仿对于话》，第56卷，2022年4月。

作者简介

Kyosuke Shimo在2022年作为应届卒业生插手ADI日本公司，今朝于工业客户解决方案部担当现场运用工程师。他卖力为电源产物提供技能撑持，并与客户合作无懈，解决技能挑战及提出立异解决方案。Kyosuke曾经于东京都立财产技能高档专门黉舍(KOSEN)进修电气及电子工程，在2022年得到东京都立年夜学硕士学位。他信赖，不管是电路设计还有是咖喱烹调，“SPICE”都是要害。

Ino Lorenz Ardiente今朝于ADI菲律宾公司的电源解决方案部担当电源架构工程师。他拥有马尼拉市立年夜学（Pamantasan ng Lungsod ng Maynila）电子工程学士学位及马普阿年夜学电力电子研究生文凭。2025年插手ADI以前，他于高功率AC-DC及DC-DC转换器的设计、测试及评估方面拥有6年多的从业经验。

Aldrick S. Limjoco今朝于ADI菲律宾公司的电源解决方案部担当高级司理兼电源架构师。自2006年插手ADI以来，他一直专注在电源治理范畴，并担当过量种工程职务，涵盖设计评估、产物运用及运用研究等方面。Aldrick今朝拥有三项美国专利，已经撰写/互助撰写关在开关稳压器输出纹波丈量技能、新型低纹波电源运用技能及铁氧体磁珠繁杂性等主题的技能文章。他拥有爱尔兰利默里克年夜学工程硕士学位及菲律宾马尼拉德拉萨年夜学电子工程学士学位。