低噪聲電源有多種類型：降壓轉(zhuǎn)換器

作者：Kevin Scott and Tim Sourdif

在本系列的第1部分中，我們研究了線性穩(wěn)壓器以實現(xiàn)最低輸出噪聲性能。在第2部分中，我們重點介紹了集成后線性穩(wěn)壓器的電荷泵解決方案。在前面的這些示例中，電路效率的優(yōu)先級較低。但是，如果同時需要低輸出電壓噪聲和高效率呢？單芯片解決方案是否足以同時提供兩者？

低噪聲降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器

開關(guān)穩(wěn)壓器輸出噪聲取決于許多因素，例如峰值電感電流、負(fù)載電流、開關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)?、電路控制環(huán)路技術(shù)、輸出電容器的尺寸和特性、電路元件值和布局。凌力爾特提供許多器件，在整個負(fù)載電流和輸入電源電壓范圍內(nèi)提供低于 10mV 的峰峰值噪聲水平。

效率

對于開關(guān)模式電源，當(dāng)轉(zhuǎn)換器負(fù)載較輕時，很難獲得高效率，因為控制電路的功耗和開關(guān)功率損耗占功率預(yù)算的比例比在較高負(fù)載下要大得多。凌力爾特獲得專利的自動突發(fā)模式技術(shù)允許開關(guān)模式電源即使在輕負(fù)載時也能提供高效率，方法是在輸出處于穩(wěn)壓狀態(tài)時關(guān)閉非必要的電路，但保持比較器主動監(jiān)控輸出，以便在輸出開始下降時可以快速再次打開控制電路。然后，隨著負(fù)載電流的增加，轉(zhuǎn)換器將自動在突發(fā)模式轉(zhuǎn)換到低噪聲PWM工作模式之間轉(zhuǎn)換。相反，當(dāng)負(fù)載降低時，轉(zhuǎn)換器將自動從PWM操作轉(zhuǎn)換到突發(fā)模式操作。進(jìn)入和退出突發(fā)模式區(qū)域取決于輸入電壓、輸出電壓和電感值，但通常小于100mA。采用LTC3103的應(yīng)用電路具有自動突發(fā)模式操作選項，如圖1a所示。LTC3103 的效率與輸出電流的關(guān)系如圖 1b 所示。在 5V 輸入和 2.2V、100μA 負(fù)載電流下，采用突發(fā)模式時的效率高達(dá) 80.3%，令人印象深刻。

圖 1a. LTC3103 典型工作電路。

圖 1b. LTC3103 即使在輕負(fù)載條件下也具有高效率。

市場上的許多器件都聲稱其一流的超低靜態(tài)電流和高效率。一些競爭器件列出的靜態(tài)電流低于 LTC3103 的 1.8μA 突發(fā)模式電流，但它們在輕負(fù)載條件下的效率要差得多。我們鼓勵您將突發(fā)模式下的效率圖與這些器件進(jìn)行比較。您會注意到兩件事：我們的圖形圖包括低于1mA負(fù)載電流的效率數(shù)字，對于效率，他們的圖確實顯示了我們的輕負(fù)載突發(fā)模式效率在相同的負(fù)載電流下通常高出25%至45%。

輸出噪聲

當(dāng)負(fù)載電流高于突發(fā)模式門限且轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換至PWM操作時，輸出電壓噪聲非常低，僅取決于電感電流紋波和輸出電容尺寸。隨著負(fù)載電流的減小和轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換到突發(fā)模式操作，控制電路間歇性地打開和關(guān)閉以節(jié)省功耗。雖然在這種模式下可以精確調(diào)節(jié)平均輸出電壓，但控制電路導(dǎo)通點和關(guān)斷點之間的輸出電壓遲滯會導(dǎo)致更高的輸出電壓紋波，從而導(dǎo)致次諧波噪聲增加。以下示例顯示了相同負(fù)載電流下的PWM（圖2a）和突發(fā)模式（圖2b）紋波的比較。

圖 2a. 恒定頻率開關(guān)輸出噪聲。

圖 2b. 突發(fā)模式開關(guān)輸出噪聲。

像 LTC3103 這樣的器件可提供高效率，但其噪聲性能是否足夠？在許多情況下，答案是肯定的。多年來，凌力爾特改進(jìn)了突發(fā)模式性能，為最近發(fā)布的產(chǎn)品提供了更低的輸出電壓噪聲性能。下面顯示了突發(fā)模式下的LTC3103輸出噪聲圖。在該圖中，峰值輸出噪聲范圍約為10mV至12mV。

圖3.LTC3103突發(fā)模式輸出噪聲。

輕負(fù)載效率是突發(fā)模式的真正優(yōu)勢，但如果突發(fā)模式下的噪聲性能是一個問題，客戶有幾個選擇。首先，由于MODE引腳控制工作模式，因此器件可以瞬間切換到力連續(xù)模式，以最大限度地降低噪聲。這非常適合低功率變送器等應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，只有在傳輸數(shù)據(jù)或進(jìn)行敏感測量時才需要低噪聲模式。強制連續(xù)模式可降低輸出噪聲，但以犧牲效率為代價。如果效率下降只是短時間，則整體系統(tǒng)效率只會受到輕微影響。請記住，即使使能且負(fù)載電流足夠高，突發(fā)模式也會自動轉(zhuǎn)換到噪聲最低、恒定頻率每周期開啟的PWM模式。下圖顯示了轉(zhuǎn)換為3.3V@300mA的12V輸入，峰值輸出噪聲僅為5mV。圖形 Y 和 X 刻度軸分別為 10mV/div 和 500ns/div。隨著輸入至輸出電壓差的減小，輸出噪聲也會得到改善。將輸入電壓更改為5V可將輸出噪聲降低至2mV峰峰值。

圖4.LTC3103：12V 至 3.3V@300mA。

第二種選擇是使用 LTC3104，它就是具有一個集成式 10mA 低壓差線性穩(wěn)壓器的 LTC3103。線性穩(wěn)壓器具有一個獨立的輸入電源引腳和一個 150mV 的典型壓差電壓。

圖5.LTC3104 增加了一個 10mA 低噪聲線性穩(wěn)壓器。

下圖示出了具有一個 12V 輸入、一個 4V 降壓輸出和一個 3.3V 后置穩(wěn)壓器 LDO 的 LTC3104，后者將 4V 輸出減小至 3.3V@10mA。Y和X刻度軸分別為10mV/格和500ns/格。請注意，LDO輸出（中間跡線）上的峰峰值紋波現(xiàn)在在±1mV范圍內(nèi)。

圖6.LTC3104 具有低噪聲 10mA LDO 輸出。

最后一種選擇是在輸出端增加一個分立濾波器或鐵氧體磁珠以降低噪聲。但是，如何選擇正確的過濾組件和值的細(xì)節(jié)非常特定于應(yīng)用程序，超出了本討論的范圍。

總結(jié)

低噪聲、高效率系統(tǒng)有多種電源選項。有時，噪聲需要“足夠低”，以提高輕負(fù)載效率，而在其他時候，任何負(fù)載電流都需要最佳的噪聲性能。對于任何這些應(yīng)用，凌力爾特廣泛的電源產(chǎn)品簡化了選擇低噪聲解決方案的過程。從一流的低噪聲線性穩(wěn)壓器到集成 LDO 的單芯片解決方案電荷泵，以及帶或不帶 LDO 的基于低噪聲電感器的開關(guān)解決方案，凌力爾特的創(chuàng)新產(chǎn)品可提供低噪聲性能，并允許廣泛的其他性能選擇，包括尺寸、成本和效率。

審核編輯：郭婷