什么是低噪聲穩壓器？

2021-08-20

什么是低噪聲穩壓器？

您的 IC 需要穩定的直流電源才能正常運行，低噪聲是任何直流穩壓器的標準要求。在某些情況下，只要可以過(guò)濾噪聲，您可能會(huì )擔心額外的幾 dB 負載調節，但需要超精確時(shí)序和輸入電壓范圍非常窄的組件的應用需要非常穩定的直流電壓和低噪聲含量。那么您如何確定低噪聲的確切限制，以及哪些類(lèi)型的穩壓器最適合這些應用？

如果您從未查看過(guò)電壓調節器規格，您可能不得不依靠市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)來(lái)為您的下一個(gè)系統找到低噪聲電壓調節器。然而，穩壓器本身并不是全部，還需要其他組件和布局策略來(lái)確保穩壓器提供穩定的低噪聲 DC 輸出。以下是您需要了解的有關(guān)不同類(lèi)型的低噪聲穩壓器以及如何選擇最適合您需求的組件的信息。

低噪聲穩壓器基礎知識

從技術(shù)上講，可以從任何拓撲結構構建低噪聲穩壓器；如何使噪聲足夠低以供實(shí)際使用是元件或電路設計人員要處理的另一件事。您選擇的穩壓器組件將具有許多重要的規格，但以下三個(gè)基本上會(huì )告訴您有關(guān)穩壓器處理噪聲（內部產(chǎn)生的和外部的）所需的一切。

電源抑制比 (PSRR)。簡(jiǎn)而言之，該規范告訴您有多少來(lái)自上游電源的傳導噪聲（以 dB 為單位）被穩壓器拒絕。LDO 中的誤差放大器可確保高 PSRR（類(lèi)似于開(kāi)關(guān)轉換器），但如果需要高降壓，則它們效率低下。

輸出調節。這可以相對于標稱(chēng)值或百分比以 dB 為單位進(jìn)行測量。真正的低噪聲穩壓器應該具有非常低的輸出調節值；最好的組件將具有低于 1% 的調節等級。該規范也可以根據 RMS 輸出定義為標稱(chēng)電壓輸出的一部分。

噪聲功率密度。這顯示了您希望在任意頻率范圍內看到的噪聲量。相關(guān)范圍可以從直流到非常高的頻率（100 kHz 到 1 MHz），或者到開(kāi)關(guān)穩壓器的開(kāi)關(guān)頻率。

上面列出的所有三個(gè)量都與頻率有關(guān)。請注意，噪聲功率密度包含所有內部產(chǎn)生的噪聲源，包括任何內部開(kāi)關(guān)噪聲。在選擇低噪聲穩壓器時(shí)，需要同時(shí)考慮這三個(gè)規格。例如，如果輸入具有 0 dB PSRR，那么低輸出調節和噪聲功率密度就毫無(wú)意義。同樣，如果輸出調節值非常高，PSRR 也無(wú)關(guān)緊要。

從分立元件構建穩壓器

穩壓器輸出上或穩壓器 IC 本身內的其他支持電路有助于進(jìn)一步降低穩壓器輸出上的噪聲。例如，如果您要使用分立元件構建自己的線(xiàn)性穩壓器，則使用電容倍增器是降低噪聲的一種簡(jiǎn)單但有效的方法；這種拓撲結構通常用于音頻或低頻 RF 穩壓器，無(wú)需特殊組件。另一個(gè)例子是有源調節器，它提供理論上完美的降噪。

如果您想進(jìn)一步降低噪聲，您需要對輸入/輸出進(jìn)行額外的過(guò)濾，或者您需要使用高度工程化的集成解決方案。您還應該考慮輸出過(guò)濾和開(kāi)關(guān)頻率如何影響穩壓器中的噪聲含量。

開(kāi)關(guān)頻率和過(guò)濾的作用

如果您正在尋找開(kāi)關(guān)轉換器，則會(huì )在穩壓器的輸出上增加一些額外的噪聲。本質(zhì)上，開(kāi)關(guān)穩壓器將來(lái)自交流電源的低頻紋波轉換為高頻噪聲，該噪聲分布在 PWM 信號的帶寬上。這應該說(shuō)明了為什么許多低噪聲穩壓器組件是 LDO；它們沒(méi)有任何開(kāi)關(guān)噪音。了解有關(guān)開(kāi)關(guān)轉換器設計以及如何為轉換器選擇最佳頻率的更多信息。

與 CISPR 限制相比，以?xún)煞N模式驅動(dòng)的降壓轉換器產(chǎn)生的示例噪聲頻譜。

最后，如果您需要穩壓器的噪聲含量非常低，可以使用高階低通濾波器來(lái)去除設備中的一些噪聲含量。這些濾波器可以由無(wú)源器件設計，但在使用開(kāi)關(guān)穩壓器在高電流下工作時(shí)要小心布局；開(kāi)關(guān)動(dòng)作會(huì )產(chǎn)生一個(gè)高磁場(chǎng)，可以在濾波器輸出上感應出電流，然后向下游傳播到其他組件。

兩個(gè)示例低噪聲穩壓器

意法半導體，LD56100

對于低壓、中等電流應用，STMicroelectronics的LD56100 系列是一種低噪聲 LDO，可提供高達 5.5 V 的輸出和 1 A 電流。它提供 120 mV 的極低壓差，并使用集成陶瓷電容器穩定輸出。PSRR 的額定值為 70 dB（1 kHz 頻率），在 3 V 輸出時(shí)具有 0.13 mV RMS 噪聲。

LD56100 低噪聲 LDO 穩壓器的框圖。

ADI公司的LTC7151S

低成本、低噪聲穩壓器的一個(gè)例子是ADI 公司的LTC7151S。這款 SMD 低噪聲穩壓器通過(guò)集成 PWM 驅動(dòng)器提供 400 kHz 至 3 MHz 的用戶(hù)控制可調開(kāi)關(guān)頻率，使其成為需要低損耗大功率開(kāi)關(guān)轉換器的系統的絕佳選擇。輸入范圍高達 20 V，輸出范圍高達 5.5 V，向負載提供 15 A。提供兩種電源調節模式，在整個(gè)輸出電流范圍內都將輸出負載調節保持在 0.25% 以下。

LTC7151S 低噪聲穩壓器應用電路。

電力系統的其他組件

低噪聲穩壓器本身不會(huì )降低噪聲，您的穩壓器部分將需要其他組件來(lái)提供所需的功率輸出和本底噪聲。對于高功率系統中非常精確的調節，同時(shí)保持穩定性和確保低噪聲是一項重大挑戰，需要一系列其他電源管理組件。以下是您的產(chǎn)品可能需要的其他一些組件：

表面貼裝電感

高壓電容器

用于高功率系統的電流檢測放大器

用于過(guò)壓保護的 TVS 二極管

用于輸入傳導 EMI 抑制的共模扼流圈