为敏感的器件打造超低噪声电源

作者：Frederik Dostal，电源管理专家

摘要

在射频(RF)技术、计量学等诸多领域的应用场景中，都需要极低噪声的电源电压。本文将阐释并对比传统设计方法与一种创新的高集成度设计方案，致力于为敏感的负载提供超低噪声电源。新技术不仅带来了更紧凑的设计，使用起来也更加便捷。

引言

射频技术等应用需要噪声极低的电源电压。诸如锁相环(PLL)、压控振荡器(VCO)和高分辨率模数转换器(ADC)等易受干扰的电路，都需要低噪声的供电。电源线路上的任何干扰都可能会影响应用中的信号。为了产生极为干净的电源电压，通常会采用如图1所示的电源链路。

图1.由高效开关稳压器和下游线性稳压器组成的电压转换器。

开关稳压器将高电源电压（如24 V）转换为较低的电压（如3.5 V）。然后，这种低电压可用于为超低噪声线性稳压器供电，在输出端产生噪声极低的3.3 V电压。线性稳压器自身的噪声水平极低，其均方根噪声值处于0.8 μV区间内，并具有高达76 dB的电源电压抑制比(PSRR)（在1 MHz频率下测得）。这种设置可减少由开关稳压器产生的电压纹波。图1中的设计展示了一种用于产生超低噪声电压的典型解决方案。

优化的可能性

多级分立设计方案实现起来不太容易。开关稳压器的实施离不开经过精心优化的印刷电路板(PCB)布局。否则，开关稳压器的快速开关瞬变会作为额外的干扰耦合到输出电压中。为了避免这种情况，有必要将线性稳压器布置到距离开关稳压器足够远的位置，但这会造成电源设计占用大量空间。在这类应用中，试图集成开关稳压器电路和线性稳压器的尝试往往以失败收场，原因在于开关过程中的噪声会耦合至最终的输出电压。不过，此问题已有行之有效的解决方案。

图2.高度集成的µModule稳压器，用于在尽可能小的空间内产生噪声最小的电压。

解决方案

对于噪声敏感型应用，可以通过适当的设计来集成开关稳压器和线性稳压器。LTM8080是ADI公司µModule®系列中的一款产品中，在开关稳压器部分和集成的线性稳压器部分之间提供了内部电磁屏蔽。这种内置屏蔽层能够吸收由开关稳压器部分快速切换的电流所产生的电磁干扰。因此，借助超紧凑的设计就能获得干净且精确调节的电源电压。LTM8080可以同时产生两个不同的电压，并且采用尺寸为9 mm × 6.25 mm的封装。其中包含了开关稳压器（包括电感器）和两个超低噪声的线性稳压器。

图3.不同输出电流的噪声密度。

图3显示了不同输出电流的噪声密度。LTM8080能够实现均方根(rms)噪声水平低于1 μV rms（在10 Hz至100 kHz之间）。相比之下，未经电压调节的锂离子电池电压的典型值为2.7 µV rms（在10 Hz至100 kHz之间）。因此，图2中所示的电压转换器产生的噪声比电池电压产生的噪声要小。

结论

此外，采用这种解决方案时，电路设计极为简单，无需深入了解开关稳压器的设计和所需的PCB布局。

µModule稳压器巧妙的设计实现了超低噪声的供电，不仅集成度高，而且尺寸极为紧凑。