不含電阻分壓器的調節迴路

作者：ADI 電源管理專家 Frederik Dostal

摘要

新型的控制迴路架構能夠產生超低的雜訊電壓，並且可同時適用於線性穩壓器與開關穩壓器。除了實現低雜訊外，這種架構還使得雜訊水準與設定的輸出電壓無關。這也使得可以實現低至0 V的超低輸出電壓。

電源轉換器通常包含控制迴路，無論輸入電壓或負載電流如何變化，都能維持設定的輸出電壓。

電阻分壓器常常被用於感測輸出電壓。圖1展示了一個降壓型穩壓器電路。在該控制迴路中，電阻分壓器（R_FB1和R_FB2）將產生的輸出電壓調節到內部基準電壓(V_REF)所指定的水準。這個基準電壓通常設定為1.2 V、0.8 V或0.6 V。隨後，誤差放大器（圖1中的運算放大器）的輸出會被輸入到控制塊，該控制塊負責管理電源開關(MOSFET)的開關時間。

Figure 1. The control loop of a power converter with a resistor divider. — 圖1.配有電阻分壓器的電源轉換器的控制迴路。

長期以來，這種傳統調節方法一直是業界的標準做法。然而，如今一種較佳的替代方案應運而生，其在電源轉換方面具有諸多優勢，廣泛適用於開關穩壓器和低壓差(LDO)穩壓器等元件。圖2呈現的新構想採用了單位增益架構，在此架構中，輸出電壓直接輸入誤差放大器，並透過連接到內部電源的一個電阻(R_SET)進行調節。與圖1中採用電阻分壓器的傳統方法不同，新配置允許輸出電壓向下調節至0 V，而在傳統方法中，最小可調節電壓只能達到與內部安裝的基準電壓相當的水準。

另一個優點，是在低於100 kHz的低頻下能夠產生更少的雜訊。透過併入一個 C_SET電容，其可對來自內部電流源的低頻干擾進行平均處理，進而大幅降低這些干擾。

在這種新架構中，電阻分壓器的電阻不會引入額外的雜訊，使得雜訊特性在很大程度上與輸出電壓無關。因此，低頻雜訊不會隨著輸出電壓的升高而增加。

ADI的許多超低雜訊線性穩壓器都採用了這種迴路調節技術，例如20 V、500 mA超低雜訊LDO穩壓器LT3045等。第三代Silent Switcher®系列新型降壓型開關穩壓器，如LTC8625S，就是運用這種創新方法設計的。

Figure 2. The control loop of a power converter with unity-gain architecture. — 圖2.配有單位增益架構的電源轉換器的控制迴路。

圖3展示了第三代Silent Switcher開關穩壓器LT8625S，同時使用免費模擬程式LTspice^®進行建模。這款開關模式電源轉換器支援高達18 V的輸入電壓，並且能夠在高達8 A的負載電流下運行。在輸出電壓方面，其在10 Hz至100 kHz的頻率範圍內產生4 μV rms的低頻雜訊。此外並內建了一個精密電流源，在-40°C至+125°C的整個允許溫度範圍內，精度可達±0.8%。

Figure 3. A third-generation Silent Switcher switching regulator with unity-gain architecture. — 圖3.配有單位增益架構的第三代Silent Switcher開關穩壓器。

在圖3所示的電路中，輸出電壓是透過SET接腳上的電阻R5來設定的。值得注意的是，輸出電壓和PGFB接腳之間存在一個由R3和R2組成的電阻分壓器。這個電阻分壓器並不影響控制迴路，僅用於使PG接腳正常工作。

本文所提到的相關設計可實現從傳統成熟方法（例如在控制迴路中應用電阻分壓器）朝向更為先進的現代技術發展（例如單位增益架構）的轉變。此一項進展意義重大，其使得低頻範圍內的雜訊水準可大幅降低。此外，殘留的少量雜訊並不取決於設定的輸出電壓，進而能夠實現低至0 V的極低電壓輸出，目前已經有許多新型線性穩壓器和開關穩壓器都採用此項創新技術。