改善線性穩(wěn)壓器的電源抑制性能

在便攜式通信中，低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）為RF電路產(chǎn)生電源電壓;為頻率合成器和壓控振蕩器（VCO）供電時(shí)，這些電壓必須特別干凈。為穩(wěn)壓器供電的電源通常包括疊加在直流上的寬帶交流紋波。預(yù)計(jì)LDO會(huì)抑制這些偽影。本文介紹了三種提高LDO電源抑制比（PSRR）的方法。

用于電池應(yīng)用的集成線性穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)充滿了艱難的折衷方案。設(shè)計(jì)必須提供低工作電流以延長(zhǎng)電池壽命，同時(shí)在有時(shí)嘈雜的環(huán)境中提供清潔、穩(wěn)壓良好的電源。本應(yīng)用筆記介紹了在保持低工作電流的同時(shí)改善交流偽影抑制的技術(shù)。

挑戰(zhàn)

小于 250μA 的穩(wěn)壓器工作電流限制了可用增益帶寬，使得噪聲、穩(wěn)壓和電源抑制等規(guī)格難以實(shí)現(xiàn)。在便攜式通信中，低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）為RF電路產(chǎn)生電源電壓，在為頻率合成器和壓控振蕩器（VCO）供電時(shí)，電源電壓必須特別干凈。為穩(wěn)壓器供電的電源通常包括疊加在直流上的寬帶交流紋波。預(yù)計(jì)LDO會(huì)抑制這些偽影。當(dāng)LDO由開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器供電時(shí)，它必須能夠應(yīng)對(duì)超過(guò)300kHz的開(kāi)關(guān)頻率。設(shè)計(jì)人員期望在不增加LDO靜態(tài)電流的情況下實(shí)現(xiàn)這些功能。

線路調(diào)節(jié)

LDO數(shù)據(jù)手冊(cè)中有兩個(gè)規(guī)格，涉及LDO抑制輸入電源上各種形式噪聲的能力。它們是線路調(diào)節(jié)和電源抑制比（PSRR）。

線路調(diào)整率測(cè)量LDO忽略輸入電壓變化的能力。數(shù)學(xué)

實(shí)際上，線路調(diào)節(jié)是指穩(wěn)壓器輸出電壓的%/V外.當(dāng)同一穩(wěn)壓器具有多種輸出電壓調(diào)整選項(xiàng)時(shí)，這尤其有用。

線路調(diào)整率是一種穩(wěn)態(tài)直流測(cè)量，是零頻率下穩(wěn)壓器開(kāi)環(huán)電流增益的量度。

電源抑制比

該規(guī)格是衡量穩(wěn)壓器在標(biāo)稱輸入直流電壓上抑制交流信號(hào)的能力的指標(biāo)。

PSRR在低頻時(shí)達(dá)到最大值，并開(kāi)始下降到1kHz至10kHz以上，具體取決于穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)。圖1所示為MAX8867 150mA低噪聲LDO的PSRR典型特性，圖2所示為MAX1792 500mA LDO的PSRR特性。

圖1.MAX8867 PSRR特性

圖2.MAX1792 PSRR特性

修改穩(wěn)壓器基本抑制響應(yīng)的唯一方法是在穩(wěn)壓器的輸入端添加一個(gè)外部網(wǎng)絡(luò)。

外部網(wǎng)絡(luò)

有三種方法可供選擇：

一個(gè)或多個(gè)外部RC濾波器級(jí)聯(lián)。額外的衰減增加了穩(wěn)壓器的固有特性。串聯(lián)電阻必須保持較低水平，以最大限度地降低 IR 損耗，從而減小穩(wěn)壓器裕量。這種限制要求大容量電容器與1Ω至10Ω電阻結(jié)合使用。如果負(fù)載電流非常低（小于20mA），則RC濾波器是有用的。或者，如果有足夠的電壓裕量和散熱空間，那么RC濾波器也可以用于較大的負(fù)載電流。串聯(lián)電阻的上限由穩(wěn)壓器的穩(wěn)定性決定。設(shè)計(jì)人員假設(shè)輸入電源的源阻抗較低。大于200Ω的系列R正在進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域。

單個(gè)RC的低通濾波器傳輸特性為：

其衰減特性為-20dB/十倍頻程，轉(zhuǎn)折頻率f = （2π × RC）-1.極限衰減由所選電容器的 ESR 給出并受其限制（R紅沉降率）。

具有等值Rs和Cs的二階級(jí)聯(lián)低通濾波器的傳遞特性為：

從轉(zhuǎn)角頻率 f = （40π × RC） 開(kāi)始，衰減特性為 -2dB/十倍頻程-1.極限衰減是單階網(wǎng)絡(luò)的兩倍，假設(shè) R紅沉降率《《·

單個(gè)RC和級(jí)聯(lián)RC濾波器的典型值范圍分別為R = 1Ω至10Ω和C = 100μF至10μF。選擇網(wǎng)絡(luò)-3dB頻率，使其與穩(wěn)壓器PSRR特性的頻率一致。

圖3a顯示了單階RC網(wǎng)絡(luò)，圖3b顯示了級(jí)聯(lián)二階RC網(wǎng)絡(luò)，兩者都保護(hù)線性穩(wěn)壓器。

圖 3b.二階級(jí)聯(lián)RC紋波濾波器。

LC濾波器。使用這種類型的濾波器的問(wèn)題在于網(wǎng)絡(luò)輸出（穩(wěn)壓器的輸入）缺乏固有阻尼。網(wǎng)絡(luò)的源阻抗很低。然而，穩(wěn)壓器的V在端子呈現(xiàn)一個(gè)用小電容器分流的高阻抗。（當(dāng)穩(wěn)壓器在恒定負(fù)載下遠(yuǎn)離壓差工作時(shí)，其輸入電流不會(huì)變化到一階，當(dāng)V在是多種多樣的。在穩(wěn)壓器輸入端對(duì)LC網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行嚴(yán)重阻尼，而分流阻尼電阻器中不可能產(chǎn)生明顯的直流損耗。例如，串聯(lián) 10μH 電感器與并聯(lián) 100μF 電容器相結(jié)合，周轉(zhuǎn)頻率為 5kHz。這種組合要求在網(wǎng)絡(luò)輸出（穩(wěn)壓器輸入）和地之間有一個(gè)0.32Ω的關(guān)鍵阻尼電阻。圖 4a 說(shuō)明了該問(wèn)題。

圖 4a. 各種阻尼比的 LC 濾波器幅度特性。

圖4b顯示了阻尼電阻及其與噪聲輸入電源源電阻的關(guān)系。

圖 4b.說(shuō)明阻尼電阻的位置。

一個(gè)額外的線性穩(wěn)壓器。這種方法占用的PCB面積很?。ɡ?，兩個(gè)SOT23-5封裝），并且需要比其他方法最少的設(shè)計(jì)時(shí)間。串聯(lián)使用兩個(gè)線性穩(wěn)壓器可在任何給定頻率下使PSRR加倍（假設(shè)具有相同的穩(wěn)壓器）。這種方法的“代價(jià)”是壓差加倍，并且需要額外的電容器。一個(gè)好的設(shè)計(jì)選擇是共享每個(gè)穩(wěn)壓器的壓降。兩個(gè)MAX8867穩(wěn)壓器串聯(lián)在80kHz時(shí)提供至少100dB的PSRR，整個(gè)組件需要1個(gè)5μF陶瓷電容，輸入、輸出和中間位置各一個(gè)。圖《》顯示了以這種方式級(jí)聯(lián)的兩個(gè)線性穩(wěn)壓器。

圖5.用于輸入紋波隔離的串聯(lián) LDO 級(jí)聯(lián)。

MAX8875 （LDO1）后接MAX8867 （LDO2）提供低噪聲輸出和70kHz時(shí)100dB的PSRR。所有電容器均為 1μF。

高輸出電流穩(wěn)壓器保護(hù)

前面的示例和技術(shù)側(cè)重于低電流、單封裝LDO?？梢詫C濾波器添加到高輸出電流LDO中，以產(chǎn)生出色的結(jié)果，而幾乎沒(méi)有額外的IR壓降。對(duì)于這種高電流LDO，熱約束將串聯(lián)功率晶體管置于主控制IC之外?？刂艻C的電源是主電流路徑的一小部分。因此，控制IC的電源是添加RC紋波濾波的理想場(chǎng)所。

結(jié)論

添加到線性穩(wěn)壓器輸入端的外部網(wǎng)絡(luò)可改善LDO的固有PSRR，特別是在高頻下，其中低靜態(tài)電流會(huì)損害LDO的高頻PSRR。

在所討論的方法中，附加LDO是最通用的，在給定的小區(qū)域內(nèi)封裝了更多的衰減，并且需要最少的設(shè)計(jì)時(shí)間。

對(duì)于只需要適度保護(hù)的低電流應(yīng)用，RC濾波器方法具有成本競(jìng)爭(zhēng)力，但在元件選擇時(shí)需要仔細(xì)權(quán)衡。

對(duì)于大電流LDO控制器，在控制器輸入電源上增加一個(gè)電阻可以非常有效地增強(qiáng)整個(gè)電路的PSRR。

審核編輯：郭婷