如何利用電壓輸入到輸出控制自動優化LDO穩壓器的效率

發布時間:2023-11-16 18:05    發布者:eechina
關鍵詞: LDO , 穩壓器 , VIOC
作者:Kristian Cruz,ADI公司應用工程師

摘要
低壓差(LDO)穩壓器是為噪聲敏感設備供電的可靠工具。除了提供直接電源軌外,LDO穩壓器還能對其他電源進行后置調節。來自開關轉換器的噪聲會滲透到許多設計中,通常需要下游LDO穩壓器來消除噪聲。LDO穩壓器雖然有效,但其功耗可能對系統效率產生負面影響。專門設計的電壓輸入到輸出控制(VIOC)引腳可通過單一連接降低功耗并提高效率。VIOC引入了對開關轉換器的自動控制,可使系統實現出色效率。本文重點介紹一款超低噪聲LDO穩壓器,其性能優于無VIOC的LDO穩壓器。

引言
人們在日常生活的許多領域都依賴精密電子設備。這些設備可以提供精密醫療診斷,對最終產品進行質量控制,準確測量水和空氣中的化學物質濃度,等等。測試設備和儀器儀表中內置的精密硬件由對噪聲敏感的器件組成,在設計和測試中需要復雜的規劃以降低噪聲。降低系統噪聲的一個關鍵方面是電源軌。電源軌必須能夠提供噪聲和紋波極小的電壓,以便在噪聲敏感型應用中提供優異性能。相反,為信號鏈提供高噪聲電源軌會導致系統性能不佳。LDO穩壓器是一種能提供低噪聲電源的器件。

LDO穩壓器通過簡單的電阻分壓器設置或單電阻設置可靠地降低并調節直流電壓。LDO穩壓器提供干凈的低噪聲輸出,但與另一種穩壓器件,即開關模式電源(SMPS)相比,存在效率較低的缺點,F代SMPS器件的效率超過90%。然而,由于電感電流的快速切換,開關轉換器會產生類似于三角波形的電流,導致其輸出具有高噪聲。電感的電壓與流經其中的電流的差分電流成正比。圖1顯示了電流波形的示例。


圖1.降壓轉換器的輸出電流。

開關轉換器還會產生頻率為其開關頻率的電壓雜散和更高頻諧波。這可以在任何開關轉換器的頻譜噪聲內容中顯示出來。電壓噪聲圖像如圖2所示。


圖2.開關轉換器的電壓噪聲。

對開關轉換器的輸出進行濾波可降低噪聲。然而,這需要大容量電容,會引入等效串聯電阻(ESR)之類的寄生效應。ESR會增加電源的功耗,并且可能導致效率降低。除了開關噪聲紋波之外,開關轉換器還容易受到寬帶噪聲、高頻尖峰和振鈴的影響。

將開關轉換器與后置調節LDO穩壓器相結合可減輕噪聲。在開關轉換器下游使用LDO穩壓器,既能獲得開關轉換器的效率,又能獲得LDO穩壓器固有的電源抑制比(PSRR),使高噪聲輸出得以凈化。然而,受LDO穩壓器上的壓降影響,這種方案仍然存在效率低下的問題。

ADI公司專門設計的VIOC技術通過降低下游LDO穩壓器的壓降來滿足低噪聲和高效率這兩個相互矛盾的要求。VIOC是一種主動控制系統,可提供來自LDO穩壓器的反饋以調節開關轉換器的輸出電壓。采用VIOC的LDO穩壓器可自動優化開關轉換器的輸出電壓。本文將討論VIOC功能的技術細節,提供效率改進的實驗證據,并考慮VIOC用于可變下游電源軌的其他可能方式。

用于后置調節的LDO穩壓器


圖3.處于后置調節狀態的LDO穩壓器的框圖。

在圖3中,開關轉換器降低輸入電壓,為LDO穩壓器供電。此輸出通常包含紋波,如圖4所示。


圖4.開關轉換器的輸出電壓。

LDO穩壓器降低開關轉換器的輸出電壓,并將其調節至編程設定的輸出電壓,從而產生精密信號鏈所需的干凈電壓信號。PSRR是決定LDO穩壓器降噪效果的指標。PSRR可以使用公式計算:PSRR = |20 log(∆VINPUT)/(∆VOUTPUT )|;此測量通常在10 Hz至1 MHz的寬頻譜上進行。具有高PSRR(例如1 MHz時80 dB)的LDO穩壓器可以非常好地衰減開關噪聲,因而是凈化失真輸出電壓的理想器件。LDO穩壓器輸出軌的示例如圖5所示。


圖5.LDO穩壓器的輸出電壓。

雖然后置調節LDO穩壓器可以有效地降低電源軌的噪聲,但該解決方案效率低下。在圖3所示的系統中,開關轉換器的效率為90%,而LDO穩壓器的效率為66%,整體效率約為59%。

無VIOC的后置調節LDO穩壓器的設計挑戰
后置調節LDO穩壓器面臨的挑戰是設計一個效率非常高的系統。圖3中的低效率表明LDO穩壓器存在相當大的功耗,這是較大的輸入到輸出壓差和負載電流導致的。公式1顯示了如何計算LDO穩壓器的功耗。



使用ADI公司的具有VIOC功能的超低噪聲LDO穩壓器,并將其與開關轉換器搭配,可提高系統效率。VIOC引腳會使開關轉換器將其輸出電壓調節至理想水平,通過降低LDO穩壓器上的壓降來提高其效率。

VIOC工作原理
圖6演示了具有VIOC功能的LDO穩壓器LT3041與上游開關轉換器的連接。VIOC和開關轉換器反饋(FB)引腳之間的連接確保LDO穩壓器上的電壓差將被設置為開關轉換器FB引腳的穩壓電壓。通過選擇具有低FB電壓(通常小于1 V)的開關轉換器,可以充分地減小LDO穩壓器上的電壓差,從而提高整體效率。在一個例子中,LT8648S用作上游轉換器,其FB引腳電壓為600 mV,LDO穩壓器上將保持恒定的600 mV壓降。通過此連接,VIOC引腳將影響開關轉換器的輸出,產生滿足公式2的輸入電壓信號。



通過設置LDO穩壓器上的電壓差,VIOC降低了開關轉換器的輸出電壓,使LT3041成為可靠的省電工具。


圖6.典型應用電路。

VIOC的優勢
圖7顯示的后置調節LDO穩壓器解決方案用于通過實驗證明VIOC影響。LT3041的評估套件位于ADI Silent Switcher® 2器件LT8648S的評估套件下游。該開關轉換器的FB引腳穩壓值約為600 mV,當FB引腳和VIOC引腳相連接時,LDO穩壓器上的電壓差約為600 mV。LT8648S評估套件產生5 V輸出電壓,LT3041評估套件輸出3.3 V。以下部分比較了該系統不使用VIOC和使用VIOC時的性能。每個實驗都使用來自電源的12 V DC為LT8648S供電。實驗結果如表1和表2所示。


圖7.評估板連接。

在第一個實驗中,VIOC引腳未連接,開關轉換器將電壓調節至接近5 V來為LDO穩壓器供電。表1顯示LDO穩壓器的效率約為67%,這與圖3中預期的相同,因為LDO穩壓器的主要功能是對開關轉換器的輸出進行后置調節。雖然該解決方案可產生干凈的電源軌,但效率低下。如前所述,效率低下的原因是LDO穩壓器因電壓差而消耗大量功率。

表1.LT3041后置調節LT8648S,不使用VIOC
IOUT (A)VIN LDO (V)VOUT LDO (V)VIOC (V)PD LDO (mW)LDO效率
0.14.9813.311.66716766.4
0.54.9483.3081.62981566.8
14.9043.3061.577157767.4

在第二個實驗中,LT8648S和LT3041之間的VIOC連接導致開關電源將其輸出電壓調節至VOUT(LDO) + VVIOC。當VIOC引腳連接到反饋引腳時,VVIOC = VFB = 600 mV。LT3041的VOUT為3.3 V,因此LDO穩壓器的輸入電壓結果約為3.9 V。表2顯示了所產生的LDO穩壓器輸入電壓。

表2.LT3041后置調節LT8648S,使用VIOC
IOUT (A)VIN LDO (V)VOUT LDO (V)VIOC (V)PD LDO (mW)LDO效率
0.13.9263.3090.6161.0284.3
0.53.9043.3080.584291.8984.7
13.9013.3060.575574.784.7

具有VIOC功能的LT3041成功降低了LDO穩壓器上的電壓差,從而提高了效率。VIOC引腳不是傳遞來自開關轉換器的5 V信號,而是強制開關轉換器產生約3.9 V的電壓。通過VIOC連接,LDO穩壓器壓差降至約600 mV,而其他實驗則有1.7 V的電壓差。LDO穩壓器的輸入電壓降低后,效率達到約84%(如表2所示),與之前的實驗相比,效率提高了17%,功耗降低了2.7倍。盡管這兩個系統輸出相同的功率,但功耗卻有很大差異。對于任何給定負載,使用VIOC的LDO穩壓器的性能將優于不使用VIOC的LDO穩壓器。借助VIOC,系統能夠為LDO穩壓器提供理想的電壓。

VIOC和開關轉換器反饋引腳之間的連接并不能保證實現VIOC的省電優勢。VIOC可以降低但不能提高開關轉換器的輸出電壓。遵循不等式VOUT(SWITCHER) > VOUT(LDO) + VVIOC可確保VIOC帶來省電的好處。如果違反上述不等式,則LT3041仍會調節其輸出電壓,但不會優化開關轉換器的輸出電壓。

以下實驗是系統突破其臨界值以確保省電的示例。在此測試中,LDO穩壓器的輸出電壓發生變化,產生標稱4.32 V輸出。從表3可以看出,VOUT(LDO) + VVIOC尚未超過開關轉換器的5 V穩壓輸出電壓,這使得VIOC能夠進行省電方面的優化。請注意,開關穩壓器提供的輸入電壓滿足VIN(LDO) = VOUT(LDO) + VVIOC。此外,LDO穩壓器通過VIOC保持約600 mV的壓降。如果不使用VIOC,LDO穩壓器將傳遞約5 V的輸入電壓。表4顯示了不使用VIOC的系統,開關轉換器輸出為5 V。請注意,LDO穩壓器的輸入電壓比表3中的值更接近5 V。雖然采用VIOC的LDO穩壓器的效率略有提高,但表3和表4中的數據表明,VIOC會降低功耗,即使幅度較小。

表3.LT3041后置調節LT8648S,使用VIOC
IOUT (A)VIN LDO (V)VOUT LDO (V)VIOC (V)PD LDO (mW)LDO效率
0.14.964.330.60762.287.40%
0.54.944.330.581305.287.60%
14.94.330.561559.888.50%

表4.不使用VIOC的輸入電壓
IOUT (A)VIN LDO (V)VOUT LDO (V)LDO效率
0.14.9894.3486.90%
0.54.9874.3487.00%
14.9824.3487.10%

一些具有可變負載電壓的應用會導致VOUT_LDO + VVIOC超過開關穩壓器的穩壓輸出電壓?紤]具有5 V穩壓輸出和600 mV FB電壓的LT8648S穩壓器,其與LT3041搭配,但后者現在輸出5 V電壓。當使用VIOC時,基于公式VIN(LDO) = VOUT(LDO) + VVIOC,這些器件的組合導致LDO穩壓器的輸入電壓為5.6 V。此值遠大于開關穩壓器的5 V輸出。這種情況會使LDO穩壓器的省電功能無效。

針對可變負載的省電
在負載可變的情況下,可以使用三個電阻對VIOC進行編程,如圖8所示。這種配置可以通過設置電阻R1、R2和R3來對輸入到輸出壓差進行編程。要正確調整這三個電阻的大小,請參閱LT3041數據手冊。雖然這種方法在省電方面不如將VIOC直接連接到開關轉換器的反饋引腳那么有效,但對于具有可變負載的應用來說仍然可靠。通過將電壓差編程為設定電壓,盡管輸出電壓可變,用戶仍能夠利用LDO穩壓器上的恒定壓降。圖8是帶有和不帶有這些電阻的可變負載場景的示例。

考慮圖9中的框圖,它表示一個LDO穩壓器,不使用VIOC對開關轉換器進行后置調節。開關轉換器產生6.5 V輸出,LDO穩壓器產生5 V輸出。


圖9.無VIOC的5 V LDO穩壓器輸出。

該系統導致LDO穩壓器上的壓降為1.5 V,功率損耗為1.5 W。由于負載可變,LDO穩壓器的輸出電壓會發生變化。在此示例中,LDO穩壓器的輸出電壓降至3.3 V,如圖10所示。


圖10.不使用VIOC的3.3 V輸出。

新的3.3 V負載導致LDO穩壓器上的壓降為3.2 V,功率損耗為3.2 W,LDO穩壓器效率從79.9%降至50.8%。

相比之下,設置圖8所示的電阻可以消除可變負載下功耗和效率的波動?紤]先前的場景,如圖10所示,但LDO穩壓器使用VIOC,三個電阻將電壓差設置為1.5 V。開關轉換器將輸出VOUT(SWITCHER) = VDIFFERNTIAL(LDO) + VOUT(LDO)。當可變負載導致輸出電壓從5 V降至3.3 V時,開關轉換器的輸出電壓降至4.8 V,而不是其編程設定的6.5 V輸出,如圖11所示。


圖11.使用VIOC的3.3 V輸出。


圖8.可變負載電路配置。

通過三個電阻對電壓差進行編程,將LDO穩壓器上的壓降設置為恒定的1.5 V。對于1 A負載,LDO穩壓器會損失1.5 W的功率,而不是3.2 W的功率。借助VIOC和三個電阻,當負載電壓降至3.3 V時,LDO穩壓器可節省一倍以上的功耗。該連接使得3.3 V負載的效率達到68.8%,而對于相同的負載,之前場景的效率為50.8%。雖然這兩個系統提供相同的功率,但采用VIOC的LDO穩壓器供電效率更高。

結論
總體而言,使用VIOC的LDO穩壓器的性能優于不使用VIOC的LDO穩壓器。具有VIOC功能的ADI超低噪聲LDO穩壓器實現了效率和輸出信號質量的理想平衡。VIOC和LDO穩壓器PSRR的結合使LT3041成為一種兩用工具,既能處理高噪聲輸入,又能優化系統效率。當負載變化時,VIOC引腳會自動調整以優化系統。在所有條件下,使用VIOC的LDO穩壓器都被證明更優越。它還提高了效率,降低了功耗。使用VIOC的LDO穩壓器與不使用VIOC的LDO穩壓器之間的主要區別在于VIOC引入的控制功能。通過自動控制,LDO穩壓器可以對上游DC-DC轉換器進行實時動態調整,從而實現出色效率。自動控制推動ADI技術緊跟電源電路的遙測趨勢。隨著人們越來越多地使用PMBus®和其他方法收集數據以改善電源系統,VIOC提供了另一重自動電源控制。

關于作者
Kristian Cruz曾加入ADI公司應屆大學畢業生輪換計劃。Kristian曾任職于核心應用部門,為客戶的技術咨詢提供支持,也曾任職于電源事業部。他現在是灣區銷售部的應用工程師。Kristian擁有加州州立理工大學圣路易斯奧比斯波校區電氣工程學士學位。

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