低噪声电源有多种类型：降压转换器

作者：Kevin Scott and Tim S

在本系列的第1部分中，我们研究了线性稳压器以实现最低输出噪声性能。在第2部分中，我们重点介绍了集成后线性稳压器的电荷泵解决方案。在前面的这些示例中，电路效率的优先级较低。但是，如果同时需要低输出电压噪声和高效率呢？单芯片解决方案是否足以同时提供两者？

低噪声降压型开关稳压器

开关稳压器输出噪声取决于许多因素，例如峰值电感电流、负载电流、开关稳压器拓扑、电路控制环路技术、输出电容器的尺寸和特性、电路元件值和布局。凌力尔特提供许多器件，在整个负载电流和输入电源电压范围内提供低于 10mV 的峰峰值噪声水平。

效率

对于开关模式电源，当转换器负载较轻时，很难获得高效率，因为控制电路的功耗和开关功率损耗占功率预算的比例比在较高负载下要大得多。凌力尔特获得专利的自动突发模式技术允许开关模式电源即使在轻负载时也能提供高效率，方法是在输出处于稳压状态时关闭非必要的电路，但保持比较器主动监控输出，以便在输出开始下降时可以快速再次打开控制电路。然后，随着负载电流的增加，转换器将自动在突发模式转换到低噪声PWM工作模式之间转换。相反，当负载降低时，转换器将自动从PWM操作转换到突发模式操作。进入和退出突发模式区域取决于输入电压、输出电压和电感值，但通常小于100mA。采用LTC3103的应用电路具有自动突发模式操作选项，如图1a所示。LTC3103 的效率与输出电流的关系如图 1b 所示。在 5V 输入和 2.2V、100μA 负载电流下，采用突发模式时的效率高达 80.3%，令人印象深刻。

图 1a. LTC3103 典型工作电路。


图 1b. LTC3103 即使在轻负载条件下也具有高效率。

市场上的许多器件都声称其一流的超低静态电流和高效率。一些竞争器件列出的静态电流低于 LTC3103 的 1.8μA 突发模式电流，但它们在轻负载条件下的效率要差得多。我们鼓励您将突发模式下的效率图与这些器件进行比较。您会注意到两件事：我们的图形图包括低于1mA负载电流的效率数字，对于效率，他们的图确实显示了我们的轻负载突发模式效率在相同的负载电流下通常高出25%至45%。

输出噪声

当负载电流高于突发模式门限且转换器转换至PWM操作时，输出电压噪声非常低，仅取决于电感电流纹波和输出电容尺寸。随着负载电流的减小和转换器转换到突发模式操作，控制电路间歇性地打开和关闭以节省功耗。虽然在这种模式下可以精确调节平均输出电压，但控制电路导通点和关断点之间的输出电压迟滞会导致更高的输出电压纹波，从而导致次谐波噪声增加。以下示例显示了相同负载电流下的PWM（图2a）和突发模式（图2b）纹波的比较。

图 2a. 恒定频率开关输出噪声。


图 2b. 突发模式开关输出噪声。

像 LTC3103 这样的器件可提供高效率，但其噪声性能是否足够？在许多情况下，答案是肯定的。多年来，凌力尔特改进了突发模式性能，为最近发布的产品提供了更低的输出电压噪声性能。下面显示了突发模式下的LTC3103输出噪声图。在该图中，峰值输出噪声范围约为10mV至12mV。

图3.LTC3103突发模式输出噪声。

轻负载效率是突发模式的真正优势，但如果突发模式下的噪声性能是一个问题，客户有几个选择。首先，由于MODE引脚控制工作模式，因此器件可以瞬间切换到力连续模式，以最大限度地降低噪声。这非常适合低功率变送器等应用，在这些应用中，只有在传输数据或进行敏感测量时才需要低噪声模式。强制连续模式可降低输出噪声，但以牺牲效率为代价。如果效率下降只是短时间，则整体系统效率只会受到轻微影响。请记住，即使使能且负载电流足够高，突发模式也会自动转换到噪声最低、恒定频率每周期开启的PWM模式。下图显示了转换为12.3V @3mA的300V输入，峰值输出噪声仅为5mV。图形 Y 和 X 刻度轴分别为 10mV/div 和 500ns/div。随着输入至输出电压差的减小，输出噪声也会得到改善。将输入电压更改为5V可将输出噪声降低至2mV峰峰值。

图4.LTC3103：12V 至 3.3V@ 300mA。

第二种选择是使用 LTC3104，它就是具有一个集成式 3103mA 低压差线性稳压器的 LTC10。线性稳压器具有一个独立的输入电源引脚和一个 150mV 的典型压差电压。

图5.LTC3104 增加了一个 10mA 低噪声线性稳压器。

下图示出了具有一个 3104V 输入、一个 12V 降压输出和一个 4.3V 后置稳压器 LDO 的 LTC3，后者将 4V 输出减小至 3.3V@ 10mA。Y和X刻度轴分别为10mV/格和500ns/格。请注意，LDO输出（中间迹线）上的峰峰值纹波现在在±1mV范围内。

图6.LTC3104 具有低噪声 10mA LDO 输出。

最后一种选择是在输出端增加一个分立滤波器或铁氧体磁珠以降低噪声。但是，如何选择正确的过滤组件和值的细节非常特定于应用程序，超出了本讨论的范围。

总结

低噪声、高效率系统有多种电源选项。有时，噪声需要“足够低”，以提高轻负载效率，而在其他时候，任何负载电流都需要最佳的噪声性能。对于任何这些应用，凌力尔特广泛的电源产品简化了选择低噪声解决方案的过程。从一流的低噪声线性稳压器到集成 LDO 的单芯片解决方案电荷泵，以及带或不带 LDO 的基于低噪声电感器的开关解决方案，凌力尔特的创新产品可提供低噪声性能，并允许广泛的其他性能选择，包括尺寸、成本和效率。