低噪聲電源有多種類型：降壓轉(zhuǎn)換器

在本系列的第1部分中，我們研究了線性穩(wěn)壓器以實(shí)現(xiàn)輸出噪聲性能。在第2部分中，我們重點(diǎn)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(jí)較低。但是，如果同時(shí)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(shí)提供兩者？

低噪聲降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器

開(kāi)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)洹㈦娐房刂骗h(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(gè)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(duì)于開(kāi)關(guān)模式電源，當(dāng)轉(zhuǎn)換器負(fù)載較輕時(shí)，很難獲得高效率，因?yàn)榭刂齐娐返墓暮烷_(kāi)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。凌力爾特獲得的自動(dòng)突發(fā)模式技術(shù)允許開(kāi)關(guān)模式電源即使在輕負(fù)載時(shí)也能提供高效率，方法是在輸出處于穩(wěn)壓狀態(tài)時(shí)關(guān)閉非必要的電路，但保持比較器主動(dòng)監(jiān)控輸出，以便在輸出開(kāi)始下降時(shí)可以快速再次打開(kāi)控制電路。然后，隨著負(fù)載電流的增加，轉(zhuǎn)換器將自動(dòng)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(shí)，轉(zhuǎn)換器將自動(dòng)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(dòng)突發(fā)模式操作選項(xiàng)，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(shí)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(chǎng)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(jìng)爭(zhēng)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?cè)谳p負(fù)載條件下的效率要差得多。我們鼓勵(lì)您將突發(fā)模式下的效率圖與這些器件進(jìn)行比較。您會(huì)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(duì)于效率，他們的圖確實(shí)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(mén)限且轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換至PWM操作時(shí)，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(kāi)和關(guān)閉以節(jié)省功耗。雖然在這種模式下可以調(diào)節(jié)平均輸出電壓，但控制電路導(dǎo)通點(diǎn)和關(guān)斷點(diǎn)之間的輸出電壓遲滯會(huì)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(kāi)關(guān)輸出噪聲。


圖 2b. 突發(fā)模式開(kāi)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(lái)，凌力爾特改進(jìn)了突發(fā)模式性能，為近發(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(shì)，但如果突發(fā)模式下的噪聲性能是一個(gè)問(wèn)題，客戶有幾個(gè)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(cè)量時(shí)才需要低噪聲模式。強(qiáng)制連續(xù)模式可降低輸出噪聲，但以犧牲效率為代價(jià)。如果效率下降只是短時(shí)間，則整體系統(tǒng)效率只會(huì)受到輕微影響。請(qǐng)記住，即使使能且負(fù)載電流足夠高，突發(fā)模式也會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換到噪聲、恒定頻率每周期開(kāi)啟的PWM模式。下圖顯示了轉(zhuǎn)換為12.3V @3mA的300V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(huì)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(gè)集成式 3103mA 低壓差線性穩(wěn)壓器的 LTC10。線性穩(wěn)壓器具有一個(gè)獨(dú)立的輸入電源引腳和一個(gè) 150mV 的典型壓差電壓。

圖5.LTC3104 增加了一個(gè) 10mA 低噪聲線性穩(wěn)壓器。

下圖示出了具有一個(gè) 3104V 輸入、一個(gè) 12V 降壓輸出和一個(gè) 4.3V 后置穩(wěn)壓器 LDO 的 LTC3，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(qǐng)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。

一種選擇是在輸出端增加一個(gè)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(guò)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(xiàng)。有時(shí)，噪聲需要“足夠低”，以提高輕負(fù)載效率，而在其他時(shí)候，任何負(fù)載電流都需要的噪聲性能。對(duì)于任何這些應(yīng)用，凌力爾特廣泛的電源產(chǎn)品簡(jiǎn)化了選擇低噪聲解決方案的過(guò)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(kāi)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。