LDO穩壓器綜合指南：雜訊、折衷方案、應用和趨勢

作者：ADI 產品行銷總監Zhihong Yu

摘要

本文介紹 LDO穩壓器選型 時幾個可能被忽略的關鍵參數，並針對特殊低雜訊要求，將開關穩壓器和LDO穩壓器進行了比較。此外還討論了產業趨勢，以及介紹需要高性能LDO穩壓器的應用。

簡介

大多數電子設備電源提供的電壓都高於電子裝置的典型工作電壓。例如，電腦的電源透過電源轉接器插入 110 V_AC/220 V_AC壁式插座，其消耗的電流小於1A。在各種功率半導體執行一系列降壓轉換後，電腦的處理器最終可能在低於 1 V_DC 的電壓下工作，但其峰值電流可能較高。在此類例子中，包含許多電壓範圍從低於1 V到12 V的不同內部電壓軌。

低壓差穩壓器通常稱為LDO穩壓器，廣泛用於各種電子應用，用於調節和控制從較高輸入電壓電源中輸出的較低電壓。雖然LDO穩壓器通常出現在電源管理教科書的起始章節，並且一般都認為這是一種非常簡單的元件，但在電路設計中選擇LDO穩壓器時，除了電壓和電流額定值之外，還有一些技術特性也非常重要，而電路設計人員可能對此不甚瞭解。本文重點討論LDO穩壓器的低雜訊要求，除闡述其他低雜訊電源解決方案外，並介紹了一些需要低雜訊電源的關鍵應用。

雜訊的來源及處理方法

LDO穩壓器很少直接從輸入電源轉化後連接到其他電路——大多數情況下，這種使用方式的功率損耗會非常大。相反的，設計人員通常使用AC-DC或DC-DC開關穩壓器。當電源（電池或AC）為開關穩壓器供電時，電源本身可能有雜訊，並且可能會引入電纜中或PCB上的輻射以及其他效應產生的外部雜訊。更糟糕的是，此種開關穩壓器從來不存在理想的開關元件，所有開關事件都會產生尖峰和振鈴，最終會成為內部雜訊。開關穩壓器可能遠離負載放置，沿著其路徑可能會引入額外的外部雜訊。

由於LDO穩壓器可提供較好的穩壓性能並抑制輸出漣波，或者電路中可能存在多個負載，需要不同的電壓，所以電路中通常都會增加LDO穩壓器，用於降低穩壓器輸出電壓並向負載供電。LDO穩壓器將接收所有饋送至其輸入端的雜訊，並且本身也可能產生雜訊，如果不進行處理，所有雜訊都可能傳遞到負載（圖1）。由於我們無法預測雜訊的頻譜和幅度，所以雜訊很難模擬，因此其可能會干擾非常敏感的負載電路（這就是為什麼更換電源後，音響愛好者可以分辨出音質的差異）。其他典型的敏感負載電路可能包括：射頻放大器、時脈和時序IC、SERDES、精密類比和圖像感測器，以及醫療設備、測試儀器、電信、汽車和資料中心中可能存在的此類電路。

電路設計人員採用多種不同方法來降低電源中的雜訊。在穩壓器前後增加鐵氧體磁珠或低通濾波器有助於濾除高頻雜訊；然而，這些元件可能尺寸較大且很昂貴。如果設計人員在完成最初的原型設計後，發現需要增加此類濾波器便將非常棘手。

一種知名的低雜訊設計方法是使用ADI Silent Switcher^® 開關穩壓器。該產品系列所採用的降噪技術對尺寸和效率都沒有影響，也沒有過多的元件。該系列專有設計現已發展到第三代。第一代Silent Switcher 1產品使用一對極性相反的開關迴路來抵消磁場。第二代整合了精密電源電容，消除了PCB佈局敏感性。第三代融合了Silent Switcher1產 品的功能特性，提供低頻超低雜訊和超快瞬態響應性能。Silent Switcher穩壓器可支援高達65 V的輸入電壓和高達30 A的負載電流，並提供降壓、升壓或降壓-升壓拓撲功能。有關更多資訊，請瀏覽 Silent Switcher產品頁面。

另一種常用方法是使用低雜訊LDO穩壓器。典型框圖如圖2所示。低雜訊LDO穩壓器設計為精密電流基準，後接高性能電壓緩衝器。此類元件具有以下三個主要特性：PSRR、總積分輸出雜訊和雜訊譜密度。

PSRR表示輸入電壓引起的輸出電壓波動（圖3）。其在特定頻率下以對數形式表示，並隨不同負載和輸入/輸出電壓而變化。本質上，我們不希望輸入雜訊出現在輸出端，因此使用具有較高PSRR的LDO穩壓器非常重要。由於高頻PSRR可以透過在LDO穩壓器前後增加小型低通濾波器來改善，因此在選擇IC時應著重考慮較低頻率下的PSRR。選擇元件時，請記住每20 dB的差異會造成抑制漣波性能高達100倍的好壞差異。

下一個重要的因素是雜訊密度與頻率的關係，如圖4所示。有些與通訊相關的應用對工作頻譜有相關規定；因此，必須控制雜訊才能透過認證測試。還有一些感測器應用會感測和處理某一低頻下的環境訊號。因此，設計人員應檢查目標頻率周圍的頻譜雜訊密度曲線。

最後一個重要因素是總輸出雜訊，其是在有限頻率範圍內累加的雜訊譜密度的均方根值。對於類比數位或數位類比轉換電路，LDO穩壓器從DC到系統頻寬的所有雜訊都會累加而影響系統精度。因此，總輸出雜訊對於此類應用非常重要。圖5顯示了 LT3045 的積分輸出雜訊，其比鋰電池更乾淨。

折衷方案

所有需配備至少一個先進處理器和其他電路的應用幾乎都需要提供包含多個輸出軌的複雜電源。設計人員有多種方案可以選擇，例如PMIC（多路輸出、單晶片）IC、多個單路輸出穩壓器或多個LDO穩壓器。如果部分或全部輸出軌需要低雜訊，那麼就很難做出明確的選擇。

從教科書中可以輕易地瞭解，開關穩壓器通常比LDO穩壓器效率更高，而LDO穩壓器電路更容易設計，在現實世界中情況便有點複雜。以ADI的 AD9162 為例。 其為一款廣泛用於電信和儀器儀錶系統的IC。總共需要10個電源軌，按照4:2:4的比例分為類比電源、數位電源和SERDES電源。雖然其中一些電源軌可以合併，但我們至少需要六個電源。值得注意的是，元件上的類比1.2 V電源對雜訊最為敏感，其次是類比2.5 V和類比-1.2 V電源。

我們考慮使用多個Silent Switcher穩壓器，例如最新發表的18 V/2 A額定值 LT8622S或5 V/3 A額定值 LTC3307B。此種方式可望滿足低雜訊要求，且不用增加外部濾波器。

然而，如果所有電源軌均由Silent Switcher穩壓器供電，那麼系統尺寸和成本會略微較高。另一種方法是使用PMIC和反相穩壓器作為第一級，該方法具備高效率、低成本、解決方案尺寸小和低雜訊等所有優點。例如採用四路輸出PMIC，如 LTM4644、LTC3370、 ADP5054 （用於12 V匯流排），而 LT8330/ADP5073 用於反相穩壓器。然後，在除1.2 V V_D 之外的所有敏感電壓軌上，每個輸出軌後面都接有低雜訊LDO穩壓器（圖6）。

如果需要更高的電壓或更高的電流額定值，ADI並提供Silent Switcher四路輸出的PMIC晶片，例如 LT8692S、 LT8686S、 LT8685S和 LT7200S。

設計人員還可以考慮保留 3.3 V_I/O 和 –1.2 V_A 上的低雜訊LDO穩壓器，並用四個單通道Silent Switcher穩壓器替換PMIC和後面的LDO穩壓器。

表1匯總低雜訊解決方案選型標準供設計人員參考。一般而言，當輸入源雜訊很大、負載電流較低、需要超低輸出漣波或需要超低雜訊時，ADI建議使用超低雜訊LDO穩壓器。

對於5 A+的負載電流，設計人員幾乎都會首選低雜訊PMIC或開關穩壓器（儘管LDO穩壓器也可以並聯以支援高電流）。

對於2 A至5 A的負載電流，設計人員可酌情選擇 ADP7158/ ADP7159、 LT3073、 MAX38907等LDO穩壓器或各種Silent Switcher穩壓器。

應用

ADI是低雜訊LDO穩壓器市場的領先企業。ADI提供豐富的超低雜訊LDO穩壓器產品，該類產品額定電壓範圍為-20 V至+20 V，電流範圍為100 mA至5 A。

以下為數百個客戶中的典型應用示例：

• 由於感測器訊號處理要求超低雜訊，一家著名的DSLR相機製造商選擇低雜訊LDO穩壓器為其圖像感測器供電
• 亞馬遜最暢銷熱像儀製造商之一選擇低雜訊LDO穩壓器為其紅外感測器供電，因為此種穩壓器是市場上雜訊很低的解決方案
• 一家汽車一級先進駕駛輔助系統(ADAS)客戶選擇低雜訊LDO穩壓器為其雷達和射頻電路供電（ADI並為該客戶提供符合AEC認證的完整電源解決方案）
• 由於雜訊低且解決方案尺寸精巧，一家內視鏡客戶選擇了低雜訊LDO穩壓器
• 一家半導體自動測試設備(ATE)客戶選擇ADI電源模組和LDO穩壓器為其ASIC供電
• 一家遊戲耳機客戶選擇低雜訊LDO穩壓器為其音訊DAC供電
• 由於要求低漣波，一家印表機客戶選擇了低雜訊LDO穩壓器
• 由於要求高PSRR和低漣波特性，一家流量計客戶選擇了低雜訊LDO穩壓器
• 一家大規模MIMO客戶選擇低雜訊LDO穩壓器為其GaN功率放大器供電

一般來說，低雜訊電源對大多數敏感應用都非常重要。設計人員表示，他們更願意默認選擇低雜訊電源IC，進而在設計中提供額外的餘裕。如果您在設計中遇到任何干擾問題，也許首先應檢查電源部分。

先進LDO穩壓器的未來

ADI提供各種超低雜訊、超高PSRR LDO穩壓器。ADI並設計和銷售數百種其他LDO穩壓器，這些穩壓器具有高擊穿電壓、低靜態電流、自我調整接腳等不同特性，支援上游DC-DC追蹤LDO穩壓器負載等。儘管如此，市場仍然需要性能更好、具有更多特性的LDO穩壓器。還有客戶要求提供雜訊更低、多通道、具有數位配置能力、瞬態響應更快以及其他各種特性的LDO穩壓器。雖然LDO穩壓器看起來仍是一種簡單的元件，但其永遠不會消失，而且會如同所有其他半導體元件一樣不斷演進。如有任何疑問或需要支援，請隨時諮詢您所在地的ADI銷售業務單位。如需瞭解具有附加功能的LDO穩壓器資訊，請參閱 LDO線性穩壓器 參數搜索 和 LDO Plus產品系列。