LDO 稳压器综合指南：应对噪声、危害、应用和LDO发展趋势

大多数电子设备的电源电压都高于电子设备的典型工作电压。例如，计算机的电源适配器插入 110 V AC /220 V AC壁式插座，消耗的电流不到 1 安培。在各种功率半导体执行一系列降压转换后，计算机的处理器最终可以在 1 V DC以下工作，但峰值时可能会消耗许多安培。这些示例中有许多不同的内部电压轨，范围从 1 V 以下到 12 V。

低压差稳压器，通常称为 LDO 稳压器，广泛用于各种电子应用中，以调节和控制由较高输入电压电源提供的较低输出电压。虽然 LDO 稳压器通常在任何电源管理教科书的开头介绍，并且通常被认为是一种非常简单的设备，但电路设计人员可能不太了解选择 LDO 稳压器时除了电压和电流额定值之外的某些关键技术特性。本文重点讨论 LDO 稳压器的低噪声要求，解释其他低噪声电源解决方案，并介绍需要低噪声电源的关键应用。

噪音——其来源及处理方法

LDO 稳压器很少直接用于将电源连接到其他电路 — 在大多数情况下，功率损耗太大。相反，设计人员通常使用 AC-DC 或 DC-DC 开关稳压器。当电源(电池到 AC)为开关稳压器供电时，它可能会产生自己的噪声，并可能拾取由电缆或 PCB 中的辐射和其他影响产生的外部噪声。更糟糕的是，这种开关稳压器中永远没有理想的开关，所有开关事件都会产生尖峰和振铃，最终成为内部噪声。开关稳压器可能远离负载放置，可能会在其路径上拾取额外的外部噪声。

通常会添加一个 LDO 稳压器来降低稳压器输出并馈入负载，因为 LDO 稳压器可以提供更好的调节，抑制输出纹波，或者可能有多个需要不同电压的负载。LDO 稳压器将接收馈入其输入的所有噪声，并可能产生自己的噪声，如果不加以处理，所有这些噪声都可能传递到负载(图 1)。由于很难模拟，我们无法预测噪声的频谱和幅度，它可能会干扰非常敏感的负载电路(这就是为什么发烧友在更换电源时可以分辨出音质的差异)。其他典型的敏感负载电路可能包括射频放大器、时钟和定时 IC、SERDES、精密模拟和图像传感器，以及可在医疗设备、测试仪器、电信、汽车和数据中心中找到的电路。

图 1：电源中的噪声(来源：ADI)

电路设计师采取了不同的方法来降低电源中的噪声。在稳压器之前和之后添加铁氧体磁珠或低通滤波器来过滤高频噪声是有帮助的;然而，它们可能体积庞大且价格昂贵。当设计师在完成初始设计原型后发现需要这样的滤波器时，这是非常痛苦的。

低噪声设计的一个著名方法是使用 ADI 公司的 Silent Switcher®开关稳压器。该产品系列采用了降噪技术，同时又不影响尺寸、效率或过多的组件。该专有设计系列现已发展到第三代。第一代 Silent Switcher 1 产品使用一对极性相反的开关环路来消除磁场。第二代集成了精密电源电容器，消除了 PCB 布局敏感性。第三代包括 Silent Switcher 1 产品的功能，可在低频下提供超低噪声和超快瞬态响应。Silent Switcher 稳压器可支持高达 65 V 的输入电压和高达 30 A 的负载电流，并提供降压、升压或降压-升压拓扑。

另一种常用方法是使用低噪声 LDO 稳压器。图 2 显示了典型的框图。低噪声 LDO 稳压器设计为精密电流基准，后接高性能电压缓冲器。它们主要具有三个关键特征：PSRR、总集成输出噪声和噪声频谱密度。

PSRR 表示由输入电压引起的输出电压波动(图 3)。它在特定频率下以对数形式表示，并随负载和输入/输出电压而变化。本质上，由于我们不希望输入噪声反映在输出端，因此使用高 PSRR 的 LDO 稳压器至关重要。由于可以通过在 LDO 稳压器前后添加小型低通滤波器来改善高频 PSRR，因此在 IC 选择中，较低频率的 PSRR 更为重要。在选择零件时，请记住，每 20 dB 的差异都会在抑制纹波方面好 100 倍或差 100 倍。

图 2：典型的低噪声 LDO 稳压器框图(来源：ADI)

图 3：低噪声 LDO 稳压器的典型 PSRR(来源：ADI)

下一个重要的图是噪声密度与频率的关系图，如图 4 所示。有些通信相关应用对频谱有规定;因此，必须控制噪声才能通过认证测试。还有一些传感器应用，其中环境信号在某个低频下被感测和处理。因此，设计人员应检查感兴趣频率附近的频谱噪声密度曲线。

最后一个重要因素是总(积分)输出噪声，即有限频率范围内积分的频谱噪声密度的均方根值。对于模数或数模转换电路，从 DC 到系统带宽的所有 LDO 稳压器噪声都集成在一起，影响系统精度。因此，总输出噪声对于此类应用很重要。图 5 显示了LT3045的积分噪声，它比锂离子电池更安静。

图 4：噪声密度与频率的关系(来源：ADI)

妥协

对于几乎所有需要至少一个高级处理器和其他电路的应用，都需要包含多个输出轨的复杂电源。在这里，设计人员可以从各种选项中进行选择，例如 PMIC(多输出、单芯片)IC、多个单输出稳压器或多个 LDO 稳压器。如果这些输出轨中的部分或全部都需要低噪声，那么选择就变得相当不清楚。

从教科书中，我们很容易理解开关稳压器通常比 LDO 稳压器更高效，而且 LDO 稳压器电路更容易设计。但在现实世界中，这有点复杂。以 ADI 的AD9162为例。它是一种广泛用于电信和仪器仪表系统的 IC。它总共需要 10 个电源轨，分为 4:2:4 的模拟电源、数字电源和 SERDES 电源。虽然可以将其中几个电源轨组合起来，但我们至少需要六个电源。值得注意的是，模拟 1.2 V 是设备上对噪声最敏感的电源，其次是模拟 2.5 V 和模拟 -1.2 V。

这里一种可能的方法是使用多个 Silent Switcher 稳压器，例如最新发布的额定电压为 18 V/2 A 的LT8622S或额定电压为 5 V/3 A 的LTC3307B。它们最有可能满足低噪声要求，而无需添加外部滤波器。

但是，如果所有电源轨均由 Silent Switcher 稳压器供电，系统尺寸和成本会略高。另一种方法结合了高效率、低成本、小尺寸解决方案和低噪声等所有优点，即使用 PMIC 和反相稳压器作为第一级。一个例子是四路输出 PMIC，如LTM4644、LTC3370、ADP5054(用于 12 V 总线)和LT8330 / ADP5073(用于反相稳压器)。然后，每个输出轨后面都是低噪声 LDO 稳压器，所有敏感电压轨上都配有低噪声 LDO 稳压器(1.2 VV D除外)(图 6)。

如果需要更高的电压或更高的额定电流，ADI 还提供 Silent Switcher 四路输出 PMIC，例如LT8692S、LT8686S、LT8685S和LT7200S 。

设计人员还可以考虑将低噪声 LDO 稳压器保持在 3.3 V I/O和 -1.2 V A上，并用四个单通道 Silent Switcher 稳压器替换 PMIC 和后续 LDO 稳压器。

为了总结选择标准，设计人员可以参考表 1 中的低噪声解决方案。一般来说，当输入源噪声很大、负载电流较低、需要最低输出纹波或需要最低噪声时，ADI 建议使用超低噪声 LDO 稳压器。

对于 5 A+ 的负载电流，设计师几乎只青睐低噪声 PMIC 或开关稳压器(尽管 LDO 稳压器也可以并联以支持大电流)。

对于 2 A 至 5 A 的负载电流，每个设计人员可以自行选择 LDO 稳压器(例如ADP7158 / ADP7159、LT3073、MAX38907)或各种 Silent Switcher 稳压器。

图 5：集成输出噪声(10 Hz 至 100 kHz);低噪声 LDO 稳压器 LT3045 比电池更安静(来源：ADI)

图 6：为噪声敏感型 DAC 供电的低噪声电源解决方案(来源：ADI)

应用程序

ADI 是低噪声 LDO 稳压器的市场领导者。在最近收购 Linear Technologies 和 Maxim Integrated 后，产品组合进一步增强。ADI 现在拥有从 -20 V 到 +20 V 额定值、从 100 mA 到 5 A 的超低噪声 LDO 稳压器产品组合。

在数百家客户中，列举了一些典型的应用示例：

· 一家著名的 DSLR 相机制造商选择低噪声 LDO 稳压器为其图像传感器供电，因为处理传感器信号需要超低噪声

· 亚马逊最畅销的热像仪制造商选择低噪声 LDO 稳压器为其红外传感器供电，因为它们是市场上噪声最低的解决方案

· 一家汽车一级供应商、高级驾驶辅助系统 (ADAS) 客户选择低噪声 LDO 稳压器为其雷达和射频电路供电(ADI 还为该客户提供整套符合 AEC 标准的电源解决方案)

· 内窥镜客户选择了低噪声 LDO 稳压器，以实现低噪声和小尺寸的解决方案

· 一家半导体自动测试设备 (ATE) 客户选择 ADI 电源模块和 LDO 稳压器为其 ASIC 供电

· 游戏耳机客户选择低噪声 LDO 稳压器为其音频 DAC 供电

· 一家打印机客户因低纹波要求而选择了低噪声 LDO 稳压器

· 流量计客户选择低噪声 LDO 稳压器，因为它具有高 PSRR 和低纹波特性

· 一家大规模 MIMO 客户选择低噪声 LDO 稳压器为其 GaN 功率放大器供电

一般而言，低噪声电源对于大多数敏感应用至关重要，设计师告诉我们，他们宁愿默认选择低噪声电源 IC，以便在设计中提供额外的裕度。如果您在设计中遇到任何干扰问题，也许可以先检查一下电源。

先进 LDO 稳压器的未来

ADI 拥有各种超低噪声、超高 PSRR LDO 稳压器。ADI 还设计和销售数百种其他 LDO 稳压器，这些稳压器具有各种功能，如高击穿电压、低静态电流和自适应引脚，允许上游 DC-DC 跟踪 LDO 稳压器负载等。尽管如此，市场仍然需要具有更多功能的更好的 LDO 稳压器。我们的客户要求我们提供噪声更低、多通道、数字可配置、更快瞬态响应和各种创意的 LDO 稳压器。虽然它看起来仍然像一个简单的设备，但 LDO 稳压器永远不会消失，并将像所有其他半导体一样不断发展。