低裕量电压对电源抑制和总输出噪声的影响
eeskill 2022-09-22

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

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350 μV-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 μVrms,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)

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 μVrms,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800 mV)

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76 μV rms,如图9所示。只有FET的RDSON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。

声明: 本文转载自其它媒体或授权刊载,目的在于信息传递,并不代表本站赞同其观点和对其真实性负责,如有新闻稿件和图片作品的内容、版权以及其它问题的,请联系我们及时删除。(联系我们,邮箱:evan.li@aspencore.com )
0
评论
  • 相关技术文库
  • 电源
  • DC
  • AC
  • 稳压
  • 揭秘新老款MacBook Pro的USB Type-C有何不同

      尽管参与USB-IF的多家巨头,像是苹果与Intel都以具体移动告诉市场,USBtype-c就是未来,不过在未来的美好来临前,使用者却仍需面对连接埠的阵痛期

    11-24
  • 利用无线探头测量感应电源的电压频率转换器

    为执行长期监视任务的便携式遥测系统供电,向人们提出了有趣的设计挑战。电池不适合于某些关键性应用,且在这些环境中,设计人员一般用无线感应链路来传输功率与数据。感应链路由一个驱动固定初级线圈的射频发射器与一个为便携式装置提供电源的松耦合次级线圈组成。对设计工程师来说,测量发射功率相当重要,因为它会限制设计人员可包含至便携式装置中的电路数量。但不幸的是,传统测试设备不适合执行该任务,因为标准电压探头会拾...

    11-24
  • 全面讲解pwm波形发生器

    波形发生器在生活中有诸多应用,不过对于波形发生器,大家并非均有所了解。此外,波形发生器种类较多,无法在短时间内全部掌握。本文中,将为大家讲解pwm波形发生器,并

    11-24
  • 线交互式UPS逆变器特性

    一、功能部件输入开关市电正常时,开关导通;市电停电时,开关自动断开,防止逆变器向电网反向馈电。自动稳压有市电供电时,可粗略稳压并吸收部分电网干扰。其稳压方式与后

    11-23
  • LTC3643 用作针对 3.3V 电压轨的备份电源解决方案

    在嵌入式系统需要可靠供电的电信、工业和汽车应用中,数据丢失是一个关切的问题。供电的突然中断会在硬盘和闪存器执行读写操作时损坏数据。我们常常使用电池、电容器和超级

    11-23
  • 如何测量开关电源稳定性

    随着电子,自控,航天,通讯,医疗器械等技术不断向深度和广度的发展,势必要求为期供电的电源要有更高的稳定性,即不仅要有好的线性调节率、负载调节率还要有快速的动态负

    11-23
  • 如何对一个简单的峰值电流限制进行改进

    故障保护是所有电源控制器都有的一个重要功能。几乎所有应用都要求使用过载保护。对于峰值电流模式控制器而言,可以通过限制最大峰值电流来轻松实现这个功能。在非连续反向

    11-23
  • NTC PTC热敏电阻在电源电路中的作用

    本文以问答的形式介绍了NTC PTC热敏电阻在电源电路中的作用。问题1: NTC电阻串联在交流电路中主要是起什么作用!它是怎样工作!请大侠指点!谢谢!问题2:

    11-23
  • 适用于便携式设备的功率开关电源IC

    1 引言开关电源是近几年电源市场的焦点之一,它最大的优点是大幅度缩小变压器的体积和重量,这样就缩小了整个系统的体积和重量。一般说来,开关电源的重量是线性电源的1

    11-23
  • 电流控制电流传输器 CCCII

    在模拟电子电路中,人们长久以来习惯于采用电压作为信号变量,并通过处理电压信号来决定电路的功能。因此促成了大量电压信号处理电路,或者称为电压模式电路的诞生和发展。

    11-23
下载排行榜
更多
广告