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低压差线性稳压器的噪声源分析

低压差线性稳压器的噪声源分析

点击数:7414 次   录入时间:03-04 11:58:09   整理:http://www.55dianzi.com   其他电源技术

  在低负载电流下(通常小于50 mA),调整元件的输出阻抗很高。由于控制环路的负反馈,LDO输出似乎是理想的电流源。输出电容和调整元件形成的极点导致输出阻抗出现在相对较低的频率,并且往往会提高低频时的PSRR.低电流时输出级的高直流增益往往也会提高误差放大器单位增益点以下频率时的PSRR.

  在重负载电流下,LDO输出不太像是一个理想电流源,调整元件的输出阻抗相对较低,导致输出级的增益降低。输出级增益的下降使得直流到反馈环路单位增益频率范围内的PSRR降低。图11显示直流增益随着负载电流的降低而显着下降。从200 mA到100 mA,ADP151的直流增益下降超过20 dB.

  输出级带宽因为输出极点频率的提高而提高。在高频时,PSSR似乎应当随着环路带宽的提高而提高,但实际上,由于总环路增益的降低,高频PSRR可能没有提高。一般而言,轻负载时的PSRR优于重负载时的PSRR.

图11. 典型LDO PSRR与负载电流的关系(ADP151)

图11. 典型LDO PSRR与负载电流的关系(ADP151)

  PSRR与LDO裕量的关系

  LDO的PSRR也与输入到输出的压差或裕量有关。对于固定裕量电压,PSRR随着负载电流的提高而降低,这在重负载电流和小裕量电压时尤其明显。图12显示了2.8 V输出ADP151在200 mA负载、500 mV和1 V裕量下的PSRR差异。

  随着负载电流提高,调整元件(ADP151的P-MOSFET)脱离饱和状态,进入三极工作区,其增益相应地降低,这导致LDO的总环路增益降低,因而PSRR下降。裕量越小,则增益降幅越大。在某些小裕量电压,控制环路根本没有增益,PSRR降至0.

图12. 典型LDO PSRR与裕量的关系(ADP151)。

图12. 典型LDO PSRR与裕量的关系(ADP151)。

  降低环路增益的另一个因素是调整元件具有一个非零电阻,或称RDSON.RDSON包括MOSFET导通电阻、片内互连电阻和线焊电阻。RDSON通过LDO的压差电压估算。例如,WLCSP封装的ADP151在200 mA负载下的最差情况压差电压为200 mV,这意味着RDSON约为1.0Ω 。图13显示了调整元件和RDSON的简化原理图。

图13. 简化的LDO显示调整元件电阻

图13. 简化的LDO显示调整元件电阻

  负载电流引起的RDSON上的任何压降都会导致调整元件有效部分的裕量降低相应的量。例如,如果调整元件是一个1 器件,负载电流为200 mA,则裕量将降低200 mV.当LDO在1 V或更低的裕量电压下工作时,估算LDO PSRR时必须考虑此压降。



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  改善PSRR

  在既定的负载电流下,LDO的PSRR可以通过多种方式加以改善:

  ●让LDO在至少1 V的裕量下工作。某些LDO,如ADP151等,能够在低至500 mV的裕量下很好地工作。

  ●使用最大负载电流额定值至少比预期负载大1.5倍的LDO.

  ●在LDO的输入端或输出端增加外部滤波。

  ●如果裕量足够,级联两个或更多LDO.

  增加外部滤波以提高PSRR

  增加外部滤波可以大大改善LDO电路的PSRR,但是,其代价是电路更复杂,并且裕量和效率会降低。根据应用不同,可以将额外滤波添加到LDO的输入端(前置滤波)或输出端(后置滤波)。

  后置滤波常常用于LDO输出端存在显着低频噪声的场合,如ADP151等现代低噪声LDO不再需要后置滤波。后置滤波的缺点是滤波器电感的电阻会引起额外的负载调整误差。

  当必须抑制高频噪声时,如开关转换器的输出电压纹波等,增加前置滤波更合适,而且它不会影响负载调整。

  图14显示一个LDO电路同时采用前置滤波和后置滤波,然而,通常情况下仅使用一个外部滤波器。

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   图14. 采用外部前置滤波和后置滤波的LDO

  滤波器的主要元件是LF和CF,用于设置滤波器的转折频率。CD和RD消除LF和CF的谐振。CIN和COUT是用于LDO的典型输入和输出电容,但CIN不是必需的。

  CF、LF、CD和RD的值可以通过以下方程式来确定:

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   例如,假设必须将一个开关转换器的1 MHz纹波降低至少30 dB,100 kHz至200 kHz的转折频率应当足够。

  根据方程式9,假设CF = 1μF、LF = 1μH,则fC = 160 kHz.

  根据方程式10,CD = 10μF;根据方程式11,RD = 1Ω。

  图15显示了示例滤波器的响应。1 MHz时的衰减约为33 dB,最大峰化约为0.7 dB(81 kHz时)。

  电感LF的直流电阻应尽可能低,以使裕量降幅最小(对于后置滤波器,则使负载调整误差最小)。电感的饱和电流也必须至少像电路的最大预期负载电流一样高。

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   级联多个LDO以提高PSRR

  在裕量充足的应用中,级联多个LDO(如ADP151等)可以大大提高PSRR,同时保持ADP151的低输出噪声特性。图16显示两个级联LDO的原理图。旁路电容CIN、COUT和CO等于ADP151数据手册的推荐值,即1μF.

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   图16. 级联LDO

  所选的LDO1输出确保LDO2上的裕量至少为500 mV.为获得最佳性能,LDO1上的裕量至少也应为500 mV.图17比较了一个1.8 V ADP151与两个级联ADP151的PSRR.两种情况下的负载电流和裕量均分别为200 mA和1 V.从图17可以清楚地看出,级联两个LDO可以将宽频率范围内的PSRR提高多达30 dB.

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