线性稳压器的电压输入至输出控制系统设计

本系列文章由两部分组成，第一部分介绍电压输入至输出控制(VIOC)系统。这种系统通常配置为具有VIOC特性的低压差(LDO)稳压器和降压拓扑开关稳压器的组合。随后，文章针对VIOC系统设计提供了具体指导，包括LDO和开关稳压器的建议搭配清单，并说明了搭配的理由。最后，文章阐述了如何使用LDO的VIOC特性来降低LDO输出端的噪声、优化功耗、在故障期间保护系统，确保系统在启动和过载等动态条件下正常运行。第二部分在第一部分的基础上，进一步探讨了VIOC系统设计，并介绍了VIOC的工作原理和背景。

第一部分：快速入门和优势

在电源管理领域，低压差(LDO)稳压器对确保电子元器件获得高性能电源起着关键作用。LDO的低噪声性能至关重要，尤其是在精密模拟电路、RF系统和医疗设备等噪声敏感型应用中，LDO可提供纯净的电源，有效降低干扰，增强信号完整性。LDO与电压输入至输出控制(VIOC)功能及兼容的开关稳压器配合使用时，可形成一个始终维持最佳输入输出电压差的系统。这种设计不仅能显著降低噪声，实现高电源电压抑制比(PSRR)，还能确保系统高效运行、受到保护且具备强大性能。本文深入探讨了实现VIOC的复杂细节，并阐述了VIOC的优势和实际应用。通过了解VIOC的协同作用，工程师可以优化各种电子设备的电源管理解决方案。

无论是否带有VIOC，LDO都属于电源管理产品类别。电源管理涉及使用稳压器或转换器等集成电路(IC)来为放大器、数据转换器或处理器等电子负载供电。LDO是电源管理IC的一个子类，旨在为电子负载直接供电，主要作用包括：提升负载性能，有效降低负载之间不必要的相互干扰，确保系统中的电源IC和负载按正确时序上电和关断。

带VIOC的LDO通过内部电路提供一个外部信号来控制为LDO供电的开关稳压器的输出，从而使LDO的输入输出电压差保持恒定，如图1-1所示。线性稳压器本质上是晶体管电路，能够以相对较低的噪声供电，但对输入输出电压差很敏感，效率也由此决定。开关稳压器通过功率晶体管（开关）的快速切换来传输能量。开关稳压器使用功率开关及电感和二极管，高效地将输入电压转换为更适合为LDO供电的电压。

图1-1. 此VIOC系统为LDO维持一致的输入输出电压差。

使用VIOC将降压转换器与LDO相结合以增强性能

典型的VIOC电路采用降压开关稳压器来为具有VIOC特性的LDO供电。由此得到的电路是一种非常强大的配置，兼具降压稳压器的高效率特性和LDO的低噪声性能。降压稳压器又称为降压转换器，是一种开关转换器，能够高效地将输入转换为低于输入电压的稳定输出。

创建VIOC电路的第一步是选择LDO和开关稳压器。ADI 提供多种集成VIOC功能的LDO。LT3045-1和 LT3041系列及LT3073、LT3074和LT3078系列均有最新版本的VIOC特性。LT3045-1和LT3041线性稳压器的输出电流范围为500 mA至1 A，输入电压范围约为2 V至20 V，只需要一个输入电源。LT3073、LT3074和LT3078的输出电流范围为3 A至5 A，输入电压范围为0.6 V至5.5 V，需要一个额外的低电流BIAS输入电源。任何带有反馈(FB)引脚的开关稳压器都可以与这些使用VIOC的LDO组合使用，但在选择设计所用开关稳压器之前，请注意以下事项：

支持VIOC的LDO可与任何类型的开关稳压器拓扑配合使用，但最常与降压稳压器配合使用。

LT3045-1和LT3041 LDO必须与FB电压为1 V或更低的开关稳压器搭配，使得LDO VIOC引脚可以在1 V电压下工作（有关详细信息，请参阅数据手册）。

在VIOC系统中，具有补偿引脚的开关稳压器与没有补偿引脚的开关稳压器相比，可能更容易稳定。

开关稳压器和LDO评估板可以方便地评估VIOC系统硬件的工作。

具有VIOC功能的LDO不能与Silent Switcher 3 (SS3)开关稳压器搭配使用，因为SS3稳压器没有常规FB引脚。

与典型VIOC电路相比，带有集成高侧反馈电阻的µModule稳压器无法使LDO保持恒定的输入输出电压差。

使用VIOC的电路需要专用电压轨作为LDO前级，而不是支持多个电压轨的前级。

与独立LDO设计相比，VIOC需要更多元件。VIOC电路所需的额外元件包括：为LDO供电的开关稳压器的反馈分压器中的额外电阻器，以及开关稳压器输出通常使用的额外电容。

为了简化设计过程，ADI提供了指导，说明哪些降压开关稳压器最适合搭配带有VIOC特性的特定LDO使用。表1列出了与具有VIOC的推荐LDO组合使用的合适开关稳压器，并提供了所有LDO的说明。这些搭配基于前面列出的考虑因素，因此在构建由降压稳压器和具有VIOC特性的LDO组成的VIOC电路时，请遵循上文和表1中给出的指导。表1-1所列LDO的数据手册中提供了许多VIOC电路参考设计。

表1. 推荐用于VIOC系统的LDO和开关稳压器

表1-2提供了表1所列降压稳压器的详细说明。这些信息有助于设计人员选择不仅满足电气要求，而且符合限制条件（例如开关稳压器的输入电压范围、负载电流能力和工作电流）的稳压器。除了推荐用于VIOC的开关稳压器外，表2还列出了开关稳压器的反馈引脚电压、可用模式、评估板产品型号和补偿引脚的可用性。

表2. 表1推荐的开关稳压器的说明

VIOC的噪声最小化和高PSRR优势

如上所述，当LDO与VIOC功能及兼容的开关稳压器配合使用时，可形成一个始终维持最佳输入输出电压差的系统，从而不仅显著降低噪声，实现高PSRR，还能提升性能。

有些用户只是想改变LDO的输出电压，但不希望采用复杂的方案来调节给LDO电源供电的开关稳压器的输出电压。与图1-1中的电路相反，图1-3所示的电路没有VIOC，因此当调高或调低LDO输出时，开关稳压器的输出保持不变。图1-2显示，图1-3电路的PSRR性能在LDO输出电压较高情况下会下降，原因是在LDO输出电压增加而LDO输入不增加的情况下，开关稳压器的输出电压纹波在LDO输出端引起的噪声会增加。

图1-2. 这些示波器截图针对的是图1-3中的电路，表明随着LDO输出电压提 高，PSRR引起的噪声会加剧。

图1-3. 此电路不使用VIOC。

现在考虑一下VIOC相比图1-2和图1-3所示例子的优势。图1-1电路所示的VIOC系统会在LDO输出发生变化时，维持LDO的输入输出电压差一致，使旨在有效抑制噪声的PSRR保持高水平。开关稳压器的输出电压会在LDO输出降低时自行调低，在LDO输出提高时自行调高。因此，当LDO的输出电压变化到三个不同电平时，开关稳压器的输出电压纹波在LDO输出端引起的噪声依然保持较低水平，如图1-4所示。

图1-4. 这些示波器截图针对的是图1-1中的电路，表明PSRR引起的噪声始终很低，原因是该电路使LDO保持恒定的输入输出电压差。

VIOC的优势：提升效率、加强保护和优化运行

除了噪声最小化、高PSRR优势之外，具有VIOC的系统还能始终保持最佳的输入输出电压差，使其工作高效、安全且性能强大。效率方面的优势是显而易见的，因为当LDO输出电压降低而LDO输入电压保持不变时（如图1-3电路所示），LDO的功耗会增加，效率会降低。对于图1-1中的VIOC系统，即使LDO输出发生变化，VIOC也能使LDO保持恒定的输入输出电压差，因此功耗保持不变。

此外，在不使用VIOC的系统中，某些情况和故障可能会导致LDO输入输出电压差增大到不可接受的水平。例如，如果开关稳压器输出和LDO输出都被设定为相对较高的电压，并且LDO上存在输出短路故障，则LDO输入输出电压差可能会急剧增大。LDO上的输出短路故障会导致LDO两端的输入输出电压差过高，因为没有VIOC来强制开关稳压器的输出电压降低并维持设定的LDO输入输出电压差。当LDO输出短路时，故障期间LDO的高输入输出电压差会大大增加LDO的功耗，使得LDO温度可能超过建议工作温度，从而造成可靠性降低。

当LDO输出短路时，故障期间LDO的高输入输出电压差还会阻止LDO在短路输出故障消除后正常恢复，因为许多高压LDO具有一种称为限流折返的保护特性。

限流折返是电源和稳压器中使用的一种保护技术，用于在发生过流或短路情况时降低输出电流。与在故障期间维持恒定电流的简单限流不同，折返限流会同时降低输出电压和电流，从而降低电路元件的功耗。这有助于保护电源和相连器件免于因过热和过大电流而受损。

图1-5显示了LT3041 LDO的典型限流折返。注意在图1-5中，当输入输出电压差大于11 V时，LDO能够输出更小的电流。ADI的许多LDO数据手册都包含一个名为“过载恢复”的章节，其中解释了当LDO输出上的短路故障消除后，为什么限流折返可以阻止输出电压设定值和负载相对较高的LDO恢复到正确的输出电压。

图1-5. LT3041 LDO的典型限流折返。

无VIOC的电路中的限流折返也会阻止高电压电路正常启动，因为当电路开启时，LDO的输出电压最初为零伏，然后逐渐上升至正常运行期间的期望输出稳定电压。如果输入电压在开启时相对较高，限流折返可能会过度限制LDO电流，并阻止LDO输出电压上升至期望的稳定电压。VIOC自动维持正确的开关稳压器输出电压，从而维持正确的LDO输入输出电压差，确保电路在故障和启动情况下都能正常工作。

结语

本系列的第一部分为理解如何使用支持VIOC的LDO与降压稳压器的组合（现代应用中最普遍的配置）来设计高效、低噪声电源系统奠定了基础。本文还探讨了推荐的LDO与开关稳压器搭配方案及其背后的依据，说明了深思熟虑的器件选择能够显著提升系统性能。本文展示了如何利用VIOC特性降低输出噪声、提高热效率，并增强启动和过载恢复期间的系统保护和性能。

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第二部分：工作原理和参考设计

在本系列的第一部分中，对最新一代低压差稳压器(LDO)中的电压输入至输出控制(VIOC)特性进行了初步介绍，而第二部分将更深入地探讨其功能。为使VIOC系统设计更易被工程师掌握，本文还提供了现成的参考设计和简单明了的评估方法。此外，本文探讨了如何在负电压拓扑中无缝实现VIOC，从而拓展适用范围。同时，文章也追溯了VIOC早期实现方案的演进历程，以提供必要的历史背景。

VIOC详解

最新一代LDO中的VIOC特性是通过LDO内部增益为1的差分放大器实现的，如图2-1所示。由差分放大器的示意图可见，它由运算放大器和分立电阻构成。在最基本的配置中，差分放大器的输出直接连接到为LDO供电的开关稳压器的FB引脚。VIOC和FB引脚之间的连接形成一个闭环的反馈回路，在该回路中，开关稳压器输出一个比LDO输出更高的电压，高出幅度等于差分放大器的输出电压，而差分放大器输出电压连接到开关稳压器FB引脚。FB引脚是开关稳压器IC误差放大器反相输入端的外部连接点。

图2-1. 最新一代LDO中的VIOC特性通过LDO内部增益为1的差分放大器实现

误差放大器是一种电子元件，通常采用运算放大器实现，其作用是放大两个输入信号（通常是基准电压和来自系统输出的反馈信号）之间的差值。此差值（即误差信号）用于调整系统以维持期望的输出。因此，误差放大器是稳压器、电源、伺服机构等反馈控制系统的关键组成部分。

实现VIOC的差分放大器还负责处理一些管理任务，例如防止LDO输入过低和关断LDO。有关VIOC行为的完整详情，请参阅LDO数据手册中的VIOC部分。

开关稳压器FB引脚电压在大约0.4 V到1.2 V之间，具体取决于开关稳压器IC。如果开关稳压器反馈引脚的电压低于所需的LDO输入输出电压差，可在开关稳压器的FB引脚和LDO的VIOC引脚之间添加一个电阻。此电阻用于将差分放大器输出端的VIOC信号连接到更高电压点，如图2-1所示。图2-1所示 LT3041LDO和类似LDO的VIOC，很难实现比开关稳压器FB引脚电压更低的LDO输入输出电压差。

为了理解差分放大器如何实现VIOC，可将差分放大器的输出视为其输入之一。如果差分放大器的输出电压为某个特定值，则其正输入端的电压必须高于其负输入端的电压，且高出幅度必须等于该差分放大器输出电压。差分放大器的负输入端连接到LDO的输出端，因此差分放大器可调节开关稳压器的输出电压，使其比LDO的输出电压高，高出的量值与差分放大器输出电压（由开关稳压器的FB引脚电压决定）相同。

图2-2显示了具有VIOC电路设计的LT3073 LDO，该设计使得LDO的输入输出电压差可以低于开关稳压器的反馈引脚电压。此VIOC方法提供一个偏置电压，使LDO输入输出电压差比VIOC引脚电压低800 mV。这种类型的VIOC在输入输出电压差较低、电流额定值较高的LDO中很常见。图2-2电路还能限制开关稳压器的输出电压。开关稳压器的反馈电阻分压器用于防止在LDO未使能或无法闭合VIOC反馈环路的情况下，开关稳压器的输出电压变得过高。如图2-3所示，图2-1中的LT3041 VIOC电路会限制开关稳压器LT8608的输出电压。

图2-2. LT3073 LDO具有VIOC电路设计，可使LDO的输入输出电压差低于开关稳压器反馈引脚电压，并限制LT8610A开关稳压器的输出电压

图2-3. 如果LDO未使能，则LT3041 VIOC电路会限制LT8608开关稳压器的输出电压

到目前为止讨论的LDO都是使用正电压工作的正LDO，但VIOC操作也支持使用负电压工作的负LDO。负LDO的VIOC电路可采用产生负电压的开关稳压器来实现，其反馈引脚命名为FBX，而不是FB。图2-4显示了一个采用Ćuk配置的开关稳压器，用于产生负电压。负LDOLT3099的VIOC用于控制Ćuk输出电压。

图2-4. 采用Ćuk配置的开关稳压器，用于产生负电压（使用LT8364）

图2-5所示电路反映了一种越来越常见的场景，其中的降压型稳压器通常产生正电压，但通过配置为反相降压-升压型稳压器，它可用来产生负电压。由于标准降压型稳压器没有用于配合负电压使用的FBX引脚或FB引脚，因此该VIOC电路需要一个电平转换器。在该电路中，电平转换器是电路的一部分，电路中包含LT1636运算放大器和连接到运算放大器正输入端的网络。

图2-5. 如果开关稳压器采用的是反相降压-升压配置（使用ADP2386），则负LDO的VIOC电路需要电平转换器

VIOC很容易实现，只需在已有的开关稳压器到LDO连接的基础上，增加一根导线即可。VIOC可与任何带有FB引脚的开关稳压器配合使用。请注意，Silent Switcher 3 (SS3)稳压器IC没有FB引脚，因此VIOC通常不与这些IC一起使用。如果开关稳压器FB引脚连接到内部分压电阻，而该电阻也连接到输出端，则VIOC会有一些局限性。某些µModule稳压器就属于这种情况。

µModule稳压器是一种高度集成的系统级封装(SiP)解决方案，它在一个紧凑的封装中集成了多个电子元器件，例如DC-DC控制器、功率晶体管、输入输出电容、补偿元件和电感。

图2-6所示VIOC电路将LTM4616 µModule稳压器的一个通道与LT3078 LDO配 合使用。µModule的FB引脚与开关稳压器的输出端之间有一个内部10 kΩ电阻。VIOC引脚电流（及相应的VIOC引脚电压）与10 kΩ电阻的电流相关；当LDO和开关稳压器的输出电压提高或降低时，电阻电流会按比例变化。VIOC引脚电压对LDO输出电压的这种依赖关系，会限制图2-6所示电路的LDO输出电压调节范围。

图2-6. 此VIOC电路将LTM4616 µModule稳压器的一个通道与LT3078 LDO配合使用

评估VIOC系统工作情况的便捷方法

LTspice 可用于快速仿真和评估受限环境下的VIOC工作情况，从而无需物理硬件便能测试不同的场景和参数。因此，它是在实现电路之前验证电路行为和优化设计的有效工具。

使用硬件评估VIOC功能的最有效方法，是将开关稳压器演示电路连接到LDO演示电路，并进行极少量的改动。图2-7显示了两个配置用于快速测试VIOC的此类电路。对于VIOC电路的最终设计，通常需要在实际硬件上进行负载瞬态测试，以检查电路稳定性。为了提高稳定性，通常会在开关稳压器输出端增加电容。如需相关指导，请参阅数据手册中的VIOC参考设计。

图2-7. 两个演示电路，只需极少量改动即可快速测试VIOC工作情况（使用DC3158A和DC2458A）

早期版本VIOC和非内置VIOC

到目前为止，大部分讨论都集中在采用最新一代VIOC的LDO上。除此之外，还有一种采用分立元件实现VIOC的方法，使用早期一代带有VIOC特性的LDO。图2-8显示了一个采用早期版本VIOC的LDO电路。LDO的VIOC引脚连接到开关稳压器的ITH或VC引脚，LDO的VIOC电路自动将LDO的输入输出电压差控制在300 mV左右。ITH 或VC引脚是开关稳压器IC误差放大器输出端的外部连接点。早期5V、5A LDO，例如LT3070-1、LT3071和LT3072，就是采用这种VIOC方法。

图2-8. VIOC的一个早期版本（采用LTC3415）

我们要讨论的最后一类VIOC是利用分立元件实现的VIOC。借助分立元件，几乎任何LDO都可以添加VIOC功能。这种方法在早期的电流源基准LDO（从 LT3080开始）中特别流行，因为通过外部电压信号或数字电位器改变带电流源基准的LDO输出电压相对容易。电流源基准LDO是一种不使用基准电压源，而使用电流源驱动电阻来确定输出电压的稳压器。图2-9显示了一个使用分立器件实现VIOC的电路。IRF7342 PMOS的源栅电压决定LDO的输入输出电压差。有关采用此类VIOC的更多参考设计，请参阅LT308x数据手册。

图2-9. 使用分立器件LT8646S和LT3083实现VIOC的电路

结语

利用VIOC技术来集成LDO和开关稳压器，为现代电源管理设计带来了很大的优势。VIOC能够保持稳定的输入输出电压差，从而提升PSRR以降低输出噪声，改善功耗，增强故障保护和启动可靠性。它还能确保负载瞬态响应稳定，这对于高性能系统至关重要。

VIOC简化了开关稳压器与LDO之间的电压协调，优化了设计流程，提升了整体电路效率。最新一代支持VIOC的LDO为当今复杂的电子应用提供了灵活、高性能的解决方案。

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