低壓差線性穩(wěn)壓器的性能及設(shè)計解決方案

線性穩(wěn)壓器集成電路(IC)將電壓從較高電平降至較低電平，且無需電感。低壓差(LDO)線性穩(wěn)壓器是一種特殊類型的線性穩(wěn)壓器，其壓差（需要保持穩(wěn)壓的輸入和輸出電壓之間的差值）通常低于400 mV。早期的線性穩(wěn)壓器設(shè)計提供大約1.3 V的壓差，這意味著對于5 V的輸入電壓，器件進(jìn)行調(diào)節(jié)可實現(xiàn)的最大輸出僅為3.7 V左右。然而，在當(dāng)今更復(fù)雜的設(shè)計技術(shù)和晶圓制造工藝條件下，"低"大致定義為<100mV到300mV左右。

此外，雖然LDO穩(wěn)壓器通常是任何給定系統(tǒng)中成本最低的元件之一，但從成本/效益角度來說，它往往是最有價值的元件之一。除了輸出電壓調(diào)節(jié)之外，LDO穩(wěn)壓器的另一個關(guān)鍵任務(wù)是保護(hù)昂貴的后端負(fù)載免受惡劣環(huán)境條件的影響，例如電壓瞬變、電源噪聲、反向電壓、電流浪涌等。簡而言之，其設(shè)計必須堅固耐用，包括所有的保護(hù)功能，以抑制在保護(hù)負(fù)載的同時由環(huán)境帶來的性能影響。許多低成本的LDO線性穩(wěn)壓器因沒有必要的保護(hù)功能而失效，不僅會對穩(wěn)壓器本身造成損害，而且還會損壞后端負(fù)載。

LDO穩(wěn)壓器與其他穩(wěn)壓器的比較

低壓降壓轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)可以通過各種方法來實現(xiàn)。

開關(guān)穩(wěn)壓器可在很寬的電壓范圍內(nèi)高效工作，但需要外部元件（如電感和電容）才能工作，因此占用的電路板面積相對較大。無電感電荷泵（或開關(guān)電容電壓轉(zhuǎn)換器）也可用來實現(xiàn)更低的電壓轉(zhuǎn)換，并且通常工作效率更高（取決于轉(zhuǎn)換區(qū)域），但輸出電流能力受限，瞬態(tài)性能較差，并且與線性穩(wěn)壓器相比，需要更多的外部元件。

新一代高電流、低電壓的快速數(shù)字IC（如FPGA、DSP、CPU、GPU和ASIC）對內(nèi)核和I/O通道供電電源提出了更嚴(yán)格的要求。過去，由于電荷泵不能提供足夠的輸出電流和瞬態(tài)響應(yīng)，因此這些器件一直采用高效的開關(guān)穩(wěn)壓器供電。但是，開關(guān)穩(wěn)壓器存在潛在的噪聲干擾問題，有時它們的瞬態(tài)響應(yīng)較慢，并且布局受限。

因此，在這些應(yīng)用以及其他低壓系統(tǒng)中，可采用LDO穩(wěn)壓器代替。得益于近來的產(chǎn)品創(chuàng)新和功能增強(qiáng)，LDO穩(wěn)壓器具有更受歡迎的一些性能優(yōu)勢。

此外，當(dāng)涉及對噪聲敏感的模擬/射頻應(yīng)用（常見于測試和測量系統(tǒng)中，其機(jī)器或設(shè)備的測量精度需要比被測實體高幾個數(shù)量級）時，相對于開關(guān)穩(wěn)壓器，LDO穩(wěn)壓器通常是首選。低噪聲LDO穩(wěn)壓器為各種模擬/射頻設(shè)計供電，包括頻率合成器(PLL/VCO)、射頻混頻器和調(diào)制器、高分辨率的高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器以及精密傳感器。然而，這些應(yīng)用的靈敏度已經(jīng)達(dá)到了傳統(tǒng)低噪聲LDO穩(wěn)壓器的測試極限。例如，在許多高端VCO中，電源噪聲直接影響VCO輸出相位噪聲（抖動）。此外，為了滿足整體系統(tǒng)效率的要求，LDO穩(wěn)壓器通常用于對噪聲相對較高的開關(guān)轉(zhuǎn)換器的輸出進(jìn)行后級調(diào)節(jié)，因此LDO的高頻電源紋波抑制(PSRR)性能變得至關(guān)重要。再者，與業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的開關(guān)穩(wěn)壓器相比，LDO穩(wěn)壓器的噪聲水平可降低兩到三個數(shù)量級，從mV (rms)范圍降至幾個V (rms)范圍。

LDO設(shè)計挑戰(zhàn)

一些集成電路，如運(yùn)算放大器、儀表放大器和數(shù)字轉(zhuǎn)換器（如數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)），均稱為雙極性，因為它們需要兩個輸入電源供電：一個正電源和一個負(fù)電源。正供電軌通常由正基準(zhǔn)電壓供電，或者是由更好的線性或低壓差穩(wěn)壓器供電。負(fù)供電軌傳統(tǒng)上由負(fù)開關(guān)穩(wěn)壓器或逆變器供電。但是，基于電感的開關(guān)穩(wěn)壓器很容易將噪聲引入系統(tǒng)。隨著負(fù)輸出穩(wěn)壓器的出現(xiàn)，負(fù)輸出LDO穩(wěn)壓器用于負(fù)系統(tǒng)軌供電更具優(yōu)勢，它可以充分利用LDO穩(wěn)壓器的所有特性（無電感、低噪聲、更高PSRR、快速瞬態(tài)響應(yīng)和多重保護(hù)）。較舊的老式LDO穩(wěn)壓器PSRR和噪聲性能要差很多，雖然仍然可以使用它們創(chuàng)建這類低噪聲電源，但卻需要大量額外的元件、電路板空間，并花費(fèi)大量的設(shè)計時間才能將系統(tǒng)整合在一起。這些額外的元件也會 依其特性（如寄生電阻等）對功率預(yù)算產(chǎn)生負(fù)面影響。

客戶使用運(yùn)算放大器、ADC或其他信號鏈元件還將面臨另一個系統(tǒng)性能的難題：這些IC的電源抑制能力有限，更糟糕的是，高頻時的電源抑制能力可能會顯著降低。在過去，這意味著需要在電路板上使用額外的濾波元件，但這會增加解決方案的尺寸。此外，如果設(shè)計人員試圖獲得更高的精度，一旦穩(wěn)壓器電源噪聲過高，則可能產(chǎn)生更多麻煩，這會導(dǎo)致測量場景出現(xiàn)不希望的變化。

許多業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的線性穩(wěn)壓器采用單電壓供電執(zhí)行低壓差工作，但大多數(shù)無法同時實現(xiàn)低輸出噪聲，極低電壓轉(zhuǎn)換、寬范圍輸入/輸出電壓以及廣泛的保護(hù)功能。PMOS LDO穩(wěn)壓器可實現(xiàn)壓降并在單電源下運(yùn)行，但在低輸入電壓下受到傳輸晶體管VGS特性的限制，并且它們不具備高性能穩(wěn)壓器所提供的許多保護(hù)功能?；贜MOS的器件可提供快速瞬態(tài)響應(yīng)，但它們需要兩個偏置電源為器件供電。NPN穩(wěn)壓器可提供寬輸入和輸出電壓范圍，但它們需要兩個電源電壓或具有更高的壓差。相比之下，通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計架構(gòu)，PNP穩(wěn)壓器可實現(xiàn)低壓差、高輸入電壓、低噪聲、高PSRR以及極低的電壓轉(zhuǎn)換，具有多重保護(hù)功能，并且只需單電源軌。

為了獲得最佳的整體效率，許多高性能模擬和射頻電路采用LDO穩(wěn)壓器對開關(guān)轉(zhuǎn)換器的輸出進(jìn)行后級調(diào)節(jié)來供電。這需要在LDO穩(wěn)壓器在輸入至輸出電壓差很小時具有高PSRR和低輸出電壓噪聲。具有高PSRR的LDO穩(wěn)壓器可以輕松過濾和抑制來自開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出噪聲，而無需體積龐大的濾波元件。此外，器件在寬帶寬范圍內(nèi)的低輸出電壓噪聲對當(dāng)今的供電軌很有好處，因為噪聲靈敏度是其中的關(guān)鍵考慮因素。高電流時的低輸出電壓噪聲顯然是必備規(guī)格要求。

新型超低噪聲、超高PSRR LDO穩(wěn)壓器

顯然，能夠解決本文所述問題的LDO解決方案應(yīng)具有以下特性：

極低輸出噪聲

寬頻率范圍內(nèi)的高PSRR

低壓差工作

單電源工作（易于使用，輕松應(yīng)對電源時序難題）

快速瞬態(tài)響應(yīng)時間

在寬輸入/輸出電壓范圍內(nèi)工作

適中的輸出電流能力

出色的散熱性能

緊湊的尺寸

針對這些特定需求，ADI公司推出了超高PSRR、超低噪聲正輸出LDO穩(wěn)壓器LT304x系列。最新成員是一款超低噪聲、超高PSRR的500 mA低壓差負(fù)線性穩(wěn)壓器LT3094。該器件是常用的500 mALT3045 (LT3042 為200 mA）的負(fù)輸出版本。LT3094的獨(dú)特設(shè)計使其在10 kHz時具有僅2 nV/Hz的超低點(diǎn)噪聲，在10 Hz至100 kHz寬帶寬范圍內(nèi)具有0.85V rms的集成輸出噪聲。其PSRR性能非常出色：接近4 kHz時的低頻PSRR超過100 dB，2 MHz時的高頻PSRR超過70 dB，可以消除噪聲或高紋波輸入電源。LT3094采用特殊的LDO架構(gòu)：精密電流源基準(zhǔn)后面接著高性能的單位增益緩沖器，可實現(xiàn)幾乎恒定的帶寬、噪聲PSRR和負(fù)載調(diào)整性能，不受輸出電壓影響。此外，該架構(gòu)允許多個LT3094并聯(lián)，以進(jìn)一步降低噪聲，增加輸出電流，并可在印刷電路板上散熱。

LT3094在滿負(fù)載時以230 mV壓差提供高達(dá)500 mA的輸出電流，可在–2 V至–20 V的寬輸入電壓范圍內(nèi)工作。輸出電壓范圍為0 V至–19.5 V，輸出電壓誤差精度高，線路、負(fù)載和溫度范圍內(nèi)的精度為±2%。該器件具有寬輸入和輸出電壓范圍、高帶寬、高PSRR和超低噪聲性能，非常適合為多種應(yīng)用供電，包括：噪聲敏感應(yīng)用（如PLL、VCO、混頻器和LNA）；非常低噪聲的儀器儀表，如測試和測量以及高速/高精度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器；醫(yī)療應(yīng)用，如成像和診斷以及精密電源；以及用于開關(guān)電源的后級調(diào)節(jié)器。

LT3094采用小尺寸、低成本的10F陶瓷輸出電容工作，可優(yōu)化穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)。利用單個電阻器可編程外部精密電流限值（±10%過溫）。該器件的VIOC引腳可控制前端穩(wěn)壓器，以最大限度地降低功耗并優(yōu)化PSRR。單個SET引腳電容可降低輸出噪聲，并提供基準(zhǔn)軟啟動功能，防止輸出電壓在開啟時過沖。此外，該器件的內(nèi)部保護(hù)電路還包括具有折返功能的內(nèi)部限流和帶遲滯的熱過載。其他功能包括快速啟動功能（如果使用的SET引腳電容值較大，則非常有用）和電源良好標(biāo)志（業(yè)界首款具有此功能的負(fù)輸出LDO穩(wěn)壓器），具有可編程閾值，用于指示輸出電壓調(diào)節(jié)。

LT3094采用耐熱增強(qiáng)型12引腳、3 mm×3 mm DFN和MSOP封裝，尺寸緊湊。E級和I級版本的工作結(jié)溫范圍為–40°C至+125°C，有現(xiàn)貨供應(yīng)。

LT3094需要一個輸出電容才能保持穩(wěn)定性。鑒于其高帶寬，建議使用低ESR和ESL的陶瓷電容。為達(dá)到穩(wěn)定性，要求輸出電容最小值為10F，ESR小于30m，ESL小于1.5 nH。由于使用單個10F陶瓷輸出電容可獲得高PSRR、低噪聲性能，而較大的輸出電容值僅僅略微提高了性能，因為穩(wěn)壓器帶寬隨著輸出電容的增加而降低，因此，使用比最小輸出電容值10F更大的輸出電容并不會獲得多大的收益。盡管如此，較大的輸出電容值確實會降低負(fù)載瞬變期間的峰值輸出偏差。

器件并聯(lián)的好處

并聯(lián)多個LT3094可獲得更高的輸出電流。將所有SET引腳和所有IN引腳并在一起。使用小尺寸的PCB走線（用作鎮(zhèn)流電阻）將OUT引腳連接在一起，以均衡LT3094中的電流。也可以將兩個以上的LT3094進(jìn)行并聯(lián)，實現(xiàn)更高的輸出電流和更低的輸出噪聲。輸出噪聲的降低與并聯(lián)器件數(shù)的平方根成比例。并聯(lián)多個LT3094對于在PCB上散熱也很有用。對于具有高輸入至輸出電壓差的應(yīng)用，也可以使用一個輸入串聯(lián)電阻或與LT3094并聯(lián)的電阻進(jìn)行散熱。圖4所示為并聯(lián)電路實現(xiàn)方案。

表1所示為ADI的超高PSRR、超低噪聲系列LDO穩(wěn)壓器的產(chǎn)品成員。

表1. 超高PSRR、超低噪聲LDO穩(wěn)壓器

結(jié)論

正輸出200 mA LT3042、500 mA LT3045以及現(xiàn)在的新型互補(bǔ)的負(fù)輸出500 mA 的LT3094 LDO具有突破性的噪聲和PSRR性能。這些特性結(jié)合其寬電壓范圍、低壓差、廣泛的保護(hù)功能/魯棒性和易用性，使它們非常適合在測試和測量或醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)中為噪聲敏感的雙極正/負(fù)軌供電。借助基于電流基準(zhǔn)的架構(gòu)，它們的噪聲和PSRR性能不受輸出電壓的影響。此外，多個器件可以直接并聯(lián)，以進(jìn)一步降低輸出噪聲，增加輸出電流，并可在PCB上散熱。LT3042、LT3045和LT3094可在節(jié)省時間和成本的同時提高應(yīng)用的性能。