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LDO 的运行困境:低裕量和最小负载

2018年01月12日 14:23 次阅读

  LDO裕量及其对输出噪声和PSRR 的影响

  基于深亚微米工艺的最新千兆级模拟电路对电源电压的要求越来越低,在有些情况下,还不到1 V。这些高频电路往往需要较大的供电电流,因此,可能在散热方面存在困难。设计目标之一是使功耗降至电路性能绝对需要的水平。

  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。

  Figure 1

  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。

  Figure 2a

  Figure 2b

  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。

  Figure 3

  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。

  Figure 4

  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。

  Figure 5

  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。

  Figure 6

  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。

  Figure 7

  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。

  Figure 8

  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。

  Figure 9

  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。

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在现代应用中,传统的低压降稳压器(LDO)正逐渐被开关电源(SMPS)所取代。虽然LDO是一个成本低...

发表于 2013-03-13 16:21 397次阅读
如何实现创新型双输出LDO电源的解决方案

利用低漏失LDO实现低电压的WLED驱动

WLED于可携式装置背光源市场的应用比重已近100%,为能达成小体积和低成本的LED驱动方案,厂商现...

发表于 2013-03-11 10:42 505次阅读
利用低漏失LDO实现低电压的WLED驱动

东芝推出移动设备用的CMOS-LDO

 东芝公司(Toshiba Corporation) (TOKYO:6502)已经扩充了其200mA...

发表于 2013-01-30 11:33 302次阅读
东芝推出移动设备用的CMOS-LDO

如何为便携产品选择合适的LDO

 接地电流或静态电流 (IGND 或 IQ)、电源波纹抑止比 (PSRR)、噪声与封装大小通常是为便...

发表于 2013-01-25 11:08 203次阅读
如何为便携产品选择合适的LDO

低压差线性稳压器(LDO)的噪音问题解析

本文将对一种基本 LDO 拓扑进行仔细研究,找出其主要噪声源,并给出最小化其输出噪声的一些方法。 ...

发表于 2012-12-24 13:33 1426次阅读
低压差线性稳压器(LDO)的噪音问题解析

东芝将推出超紧凑封装低噪音200mA LDO稳压...

东芝公司(Toshiba Corporation)(TOKYO:6502)将推出采用新开发的微CMO...

发表于 2012-12-07 11:40 409次阅读
东芝将推出超紧凑封装低噪音200mA LDO稳压...

基于LDO的电源管理系统设计

  为了解决电力载波通信系统中LDO供电模块常用单芯片而导致板上成本及面积增加的问题。文中将LDO集...

发表于 2012-12-07 11:34 564次阅读
基于LDO的电源管理系统设计

浅谈LDO和DC/DC电源的区别

在平时的学习中,我们都有接触LDO和DC/DC这一类的电源产品,但作为学生的我们队这些东西可能了解不...

发表于 2012-12-04 11:12 32617次阅读
浅谈LDO和DC/DC电源的区别

LDO的工作原理详细分析

由于便携式设备的发展,人们对电源的要求越来越高,因次以前一直用开的电源目前来说不够用了,这就促使LD...

发表于 2012-11-30 14:44 51951次阅读
LDO的工作原理详细分析

安森美半导体扩充高性能工业IC的广泛产品阵容 

安森美半导体(ON Semiconductor)持续推动高性能工业积体电路(IC)方案的电源管理。最...

发表于 2012-11-14 15:42 336次阅读
安森美半导体扩充高性能工业IC的广泛产品阵容 

如何更好的设计便携式电源

TI公司给大家介绍一下如何更好地设计便携式电源

发表于 2012-10-12 14:41 503次阅读
如何更好的设计便携式电源

LDO及DC-DC的对比

应当可以这样理解:DC-DC的意思是直流变(到)直流(不同直流电源值的转换),只要符合这个定义都可以...

发表于 2012-10-11 16:51 224次阅读
LDO及DC-DC的对比

兼作电压监控电路的低压降线性稳压器

很多低压降稳压器都带有一个使能输入脚,它可以用作一个廉价的电压监控IC。虽然使能脚通常是用于切断稳压...

发表于 2012-10-10 16:45 368次阅读
兼作电压监控电路的低压降线性稳压器

德州仪器推出低频率下最低杂讯LDO线性电压稳压器

德州仪器 (TI) 宣佈推出一款可实现业界低频率下最低杂讯 (noise) 的高电流超低杂讯低压差 ...

发表于 2012-09-07 11:57 343次阅读
德州仪器推出低频率下最低杂讯LDO线性电压稳压器

ROHM超低暗电流6uA车用LDO

半导体制造商ROHM全新研发业界最低暗电流6μA,耐压可达50V之车用LDO低压差稳压器 BD7xx...

发表于 2012-07-17 11:30 389次阅读
ROHM超低暗电流6uA车用LDO

为便携设备供电的创新型双输出LDO电源解决方案

在现代应用中,传统的低压降稳压器(LDO)正逐渐被开关电源(SMPS)所取代。虽然LDO是一个成本低...

发表于 2012-07-02 17:18 712次阅读
为便携设备供电的创新型双输出LDO电源解决方案

基于LDO的优化开关电源设计

 电源是各种电子设备必不可缺少的组成部分,其性能的优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工...

发表于 2012-05-16 09:59 905次阅读
基于LDO的优化开关电源设计

FPGA的电源及配电结构

一。 FPGA 使用的电源类型 FPGA电源要求输出电压范围从1.2V到5V,输出电流范围从数十毫安...

发表于 2012-05-12 16:41 2002次阅读
FPGA的电源及配电结构

一种快速响应LDO环路设计

本文根据LDO稳压器的结构特点,设计一种快速响应通路,通过对高频或快速变化的输出电压反馈,使误差放大...

发表于 2012-04-13 10:37 760次阅读
一种快速响应LDO环路设计

LDO在手机设计中的应用

随着社会的进步,使用者对通讯便利性要求越来越高,使得手机行业在近几年有了飞速的发展。从模拟到数字,从...

发表于 2012-04-12 11:37 633次阅读
LDO在手机设计中的应用

如何将CMOS LDO应用于便携式产品中

这里跟大家探讨的是CMOS LDO在便携式产品中的应用。便携式产品在大多数情况下是靠电池供电,内部(...

发表于 2012-04-07 15:21 981次阅读
如何将CMOS LDO应用于便携式产品中

带电压保护的LDO追踪电路

  下图显示的是加装追踪电路和保护二极管的 LDO 示意图。为了让示意图更易于理解,U3 的每个电源...

发表于 2012-03-21 11:58 1003次阅读
带电压保护的LDO追踪电路

特瑞仕半导体推出高速LDO电压调整器XC6603...

日本东京,特瑞仕半导体 (TOREX SEMICONDUCTOR LTD.) 推出对应0.5V低输入...

发表于 2012-01-31 09:25 314次阅读
特瑞仕半导体推出高速LDO电压调整器XC6603...

Exar发布全新低噪声高性能LDO XRP627...

Exar公司日前发布了一款全新低噪声高性能LDO,支持高达2A的点负载。

发表于 2011-12-19 09:59 343次阅读
Exar发布全新低噪声高性能LDO XRP627...

LDO追踪电路图

使用一个如 TPS7A3001 等可调节、负输出电压 LDO 线性稳压器,以及如 TPS7A4901...

发表于 2011-12-05 10:30 1156次阅读
LDO追踪电路图

LDO的功耗和压差分析

便携产品电源设计需要系统级思维,在开发由电池供电的设备时,诸如手机、MP3、PDA、PMP、DSC等...

发表于 2011-11-01 12:25 2475次阅读
LDO的功耗和压差分析

一种全集成型CMOS LDO的设计

设计了一种基于0.25 μm CMOS工艺的低功耗片内全集成型LDO线性稳压电路。电路采用由电阻电容...

发表于 2011-11-01 12:08 2732次阅读
一种全集成型CMOS LDO的设计

LDO应用的考量因素

包括输入电压范围、预期输出电压、负载电流范围以及其封装的功耗能力。此外,地脚电流 Ignd 或静态电...

发表于 2011-11-01 11:55 279次阅读
LDO应用的考量因素

LDO和DC-DC的区别

应当可以这样理解:DC-DC的意思是直流变(到)直流(不同直流电源值的转换),只要符合这个定义都可以...

发表于 2011-11-01 11:38 931次阅读
LDO和DC-DC的区别

LDO的概念及其原理

LDO 是一种线性稳压器。线性稳压器使用在其线性区域内运行的晶体管或 FET,从应用的输入电压中减去...

发表于 2011-11-01 11:32 700次阅读
LDO的概念及其原理

基于LDO的开关电源设计

电源是各种电子设备必不可缺少的组成部分,其性能的优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作...

发表于 2011-10-21 10:54 727次阅读
基于LDO的开关电源设计

恩智浦推出采用小型晶圆级CSP封装的LDO

恩智浦半导体NXP Semiconductors N.V. (NASDAQ:NXPI) 近日宣布其L...

发表于 2011-10-21 09:03 486次阅读
恩智浦推出采用小型晶圆级CSP封装的LDO

高电源抑制的基准源的设计方案

电子镇流器的供电方式为半桥输出接稳压管给芯片供电,其输出电压为高压正弦波(50~100 kHz),加...

发表于 2011-10-13 11:40 283次阅读
高电源抑制的基准源的设计方案

基于CPCI的嵌入式系统电源设计

嵌入式系统广泛应用于控制和通信领域。而这些系统运行速度高,系统较复杂,常常集成超大规模FPGA器件、...

发表于 2011-10-12 11:35 604次阅读
基于CPCI的嵌入式系统电源设计

基于三输出稳压器的汽车电池电源解决方案

面向汽车应用的DC/DC转换器必须在极端环境中工作,输入瞬态可能超过标称电池电压5倍,并持续数百毫秒...

发表于 2011-10-10 10:53 1209次阅读
基于三输出稳压器的汽车电池电源解决方案

便携式产品中降压变换器的应用

便携式消费类电子产品集成了越来越多的新功能。随着用户对更小尺寸、更长电池寿命的期盼,系统设计人员面临...

发表于 2011-10-09 11:40 445次阅读
便携式产品中降压变换器的应用

LDO在开关电源中的应用

LDO是一种微功耗的低压差线性稳压器,它通常具有极低的自有噪声和较高的电源抑制比PSRR(Power...

发表于 2011-09-29 10:46 1600次阅读
LDO在开关电源中的应用

MAX4834/MAX4835系列低压差线性稳压...

MAX4834/MAX4835系列是低压差线性稳压器(LDO),具有精确的限流开关,以及集成的/FL...

发表于 2011-09-28 10:49 392次阅读
MAX4834/MAX4835系列低压差线性稳压...

高性能LDO线性稳压器的设计

为了解决电力载波通信系统中LDO供电模块常用单芯片而导致板上成本及面积增加的问题。文中将LDO集成进...

发表于 2011-09-22 10:19 533次阅读
高性能LDO线性稳压器的设计