利用电流基准开关稳压器设计来优化LDO裕量控制——第二部分：设计、实现方案和评估结果

作者：Kyosuke Shimo，现场应用工程师
Ino Ardiente，电源架构工程师
Aldrick Limjoco，高级经理

 

摘要

本文讨论了一种简单而有效的低压差(LDO)稳压器电压裕量（LDO输出电压与输入电压之差）控制方法，即采用基于电流源基准架构的开关稳压器。它通过一种结构化方式来控制LDO裕量，同时确保在不同输出电压下实现高效率与低噪声的平衡。文中包括实际电路实现方案、基于仿真的验证和实际性能结果，重点强调了节能且噪声敏感系统的设计考量因素。

 

引言

本文是两篇系列文章的第二部分。第一部分聚焦于识别开关稳压器中的各种噪声源，分析其对各种模拟信号链器件的影响，并概述了减轻噪声影响以提升性能的策略。第二部分介绍采用电流基准开关稳压器的低压差(LDO)裕量控制的设计与实现方案。图1所示架构利用电流源基准开关稳压器，根据电流源基准(IREF)和连接到SET（或ISET，取决于产品）引脚的外部电阻，生成输出电压。

图1.具有电压裕量控制功能的电流源基准架构降压转换器和LDO稳压器框图

 

这种方法的一个关键特点是，SET引脚能以任何电压源为基准，而不局限于GND。这意味着输出电压可以跟踪另一个电压（例如后置稳压器LDO的输出），并通过RSET电阻设定一个额外的偏移量。对于需要在动态调整输出电压的的同时保持LDO电压裕量稳定的应用，这种灵活性至关重要。

例如，若将RSET电阻连接到图1所示后置LDO的输出端，则降压稳压器的输出电压(Buck OUT)或LDO的输入电压(LDOIN)可根据公式1确定。

 

这种配置确保了无论LDO输出电压(LDOOUT)如何变化，降压转换器都会动态调整输出以使LDO的电压裕量保持恒定。此方法非常适合LDO输出动态调整的应用，因为有助于在保持稳压性能的同时维持高效率。电压裕量通常由系统设计人员根据应用的优先要求设定，以实现电源电压抑制比(PSRR)与效率的平衡。例如，若设计人员要求LDO具有特定电压裕量，则应按照公式2选择SET电阻(RSET)。

 

这种设计配置非常稳健。即使由于过载或对地硬短路，后置LDO输出降至零或接近零，电流源基准开关稳压器也会继续保持高于LDO输出的电压裕量，从而确保LDO保持偏置状态，并能在故障清除后恢复正常。裕量电压应设置为高于LDO的最小工作输入电压，以确保LDO正常启动，并能从故障状况中恢复。

图2是另一个示例，通过在INTVCC和ISET引脚之间连接一个二极管，确保LDO电压始终高于最小工作电压VIN。

图2.基于LTC3649和LT3086的0.5V至32V、2.1A、低噪声、高效率电源

 

施加到下游LDO(LT3086)的最小电压通过如下方式确定：从LTC3649的内部稳压器电压(INTVCC)稳压值（通常为3.45V）中减去二极管的正向电压Vd（通常为0.7V）。因此，LT3086的输入电压约为2.75V。

 

然而，这款LDO的最低工作输入电压为1.4V，因此可以在不影响稳压器功能的情况下进一步降低输入电压。具体可以通过在二极管上串联一个电阻RINTVCC来实现，如图3所示。

图3.RINTVCC与二极管串联以降低输入电压

 

串联电阻RINTVCC用于调整施加到LDO的期望最小输入电压Vmin，具体的值可通过公式3计算。

 

例如，LDO裕量配置为0.5V (RSET = 10kΩ)，最小工作输入电压为1.4V。LTC3649的内部稳压器电压VINTVCC在3.25V（最小值）到3.65V（最大值）之间变化。最小输入电压(Vmin)设置为1.8V，以便有足够的余量来应对各种变化，例如VINTVCC变化、二极管正向压降、电流源变化和电阻容差。然后将这些值代入公式3，得出RINTVCC值为7.3kΩ。

 

从E24电阻系列中，选择标准值7.5kΩ作为RINTVCC值，这样可以满足目标电压要求。

 

图4所示应用涉及一个热电控制器(TEC)，其工作电压范围为0V至9V，用于温度控制，LDO输出(LDOOUT)根据TEC命令信号动态设置。开关稳压器可以是Silent Switcher® 3 (SS3)或任何电流源基准降压转换器。 这样，从低频到开关稳压器的开关频率范围，都能实现低噪声性能。

图4.低噪声、可调电压电源，用于驱动高压TEC

 

仿真和测试结果

为了证明所提出的设计方法有效，降压转换器采用18VIN、1A SS3降压稳压器LT83201，而LDO采用可调1.1A单电阻低压差稳压器LT3080，如图5所示。这款LDO非常适合精密电压调节应用，支持输出电压调低至0V。

 

LT3080 LDO需要典型值1.35V VCONTROL来保持适当的输出电压调节。为了满足这一要求，并确保电路在各种条件下都能稳定运行，图5中的设计在LDO输入电压和输出电压之间提供了1.5V的电压裕量。

 

RSET值可通过公式4计算。

 

图6展示了使用LTspice®仿真得到的LDO输出电压与输入电压之间关系的结果。命令电压施加于LT3080的SET引脚，在5ms内从0V升至9V，然后在接下来的5ms内降回0V，以此模拟输出电压的动态调整。

图5.LT3080 LDO采用LT83201电流源基准架构

 

仿真结果显示，连接到降压稳压器输出端的LDO输入电压始终比输出电压高出1.5V。只要电压裕量保持在LDO的最小裕量要求之上，即可在整个工作范围内维持稳压，避免电压骤降。

图6.LDO电压裕量控制在不同输出电压下的仿真结果

 

除了仿真工作外，我们还利用EVAL-LT83201-AZ和DC995A实现了这种设计方法，以证明所提出概念的可行性。在整个测试过程中，电压裕量保持在约1.5V。与此同时，使用100Hz锯齿波驱动LT3080的SET引脚，电压在0V至9V之间循环，以此体现电压裕量的动态调整能力。这款硬件将本文所提出方法从仿真推向了现实，并为实际的实现方案提供了具体途径。测试结果如图7所示。

图7.输出电压变化情况下LDO裕量电压跟踪的基准测量结果

 

系统效率和输出噪声

LDO级采用电压裕量控制的一个显著优势在于，整体效率会得到提高。图8a中的系统效率曲线清楚反映了这一优势。与没有电压裕量控制的系统（橙色所示）相比（其中无论LDO输出电压如何，开关稳压器的输出都保持在10.5V），具有电压裕量控制的系统（蓝色所示）在整个输出电压范围内实现了更高的整体系统效率。当负载固定在1A时（图8b），电压裕量控制的优势更加明显。如图所示，禁用电压裕量控制可防止可调输出电压被调整至5V以下。这种限制是LDO的热损耗约束和封装散热限制造成的。

图8.效率比较：(a)负载为9Ω电阻；(b)负载为1A电流

 

图9显示了采用后置LDO和不采用后置LDO的开关稳压器的频率输出频谱对比。测量在系统输出端进行。开关稳压器的输入电压设定为18V，而LDO的输出电压在两种配置下均设定为1.8V，负载电流均为500mA。电压裕量设置为1.5V。如图9所示，开关稳压器和LDO的组合用作后置滤波器，能够有效衰减基波纹波和谐波成分。LT3080的高PSRR在降噪方面发挥着关键作用，能够滤除纹波及其谐波，从而产生更干净的输出电压。这凸显了使用LDO的关键优势，即抑制开关噪声，同时确保精准的电压调节和良好的动态性能。

图9.频率输出频谱比较

 

设计考量因素

务必注意所用开关稳压器的绝对最大额定值，尤其是SET和OUTS引脚。对于LT83201，这两个引脚的最大额定电压均为13V。这意味着，要使用这款器件，LDO输出电压与其所需裕量之和必须始终低于13V。遵守这些限制可确保设计的完整性，防止对器件造成潜在损坏。然而，在可变输出电压需要超出SET和OUTS引脚绝对最大额定值的系统中，可以实现一个分压网络来降低施加于SET和OUTS引脚的电压，如图10所示。这种方法允许主输出电压以较高电平工作，同时确保SET/OUTS引脚电压处于安全工作限值内。

图10.基于LT3080的LT83201设计方案，输出电压可调，最高可达15V

 

在图10的示例设计中，系统需要最大15V输出电压，但受限于LT83201 SET引脚的绝对最大额定值，15V LDO输出不能直接连接到该引脚。相反，LDO输出信号首先通过电阻分压器进行缩减，使得SET引脚电压始终在绝对最大额定值范围内。建议在最大输出电压时，将SET引脚电压配置为12V。在这种情况下，电阻值（R5和R6）可根据公式5进行选择。

 

但是，为了确保系统能够从0V开始上电，R5和R6的并联组合乘以ISET的结果必须等于或大于LDO所需的裕量电压。为确保不超过任何额定值，它应小于SET引脚的绝对最大额定值，如公式6所示。

 

其中，Vheadroom是所需的最小LDO裕量电压，SET (abs max rating)是SET引脚的最大额定电压。

同时运用公式5和公式6可计算出R6，如公式7所示。

 

在图10中，设计需要1.5V的裕量电压，因此R6的计算结果为50kΩ。然后可通过公式5确定R5，计算结果为21.43kΩ。可将标准22kΩ电阻用于R5。

 

选择SET引脚的分压网络后，必须计算OUTS引脚的分压网络。如LT83201数据手册中所述，建议适当选择R1和R3的电阻值，使其阻抗小于5kΩ，以确保其引入的噪声低于器件本身引入的噪声。因此，假设R3为固定值10kΩ，则R1的值可通过公式8确定。

 

仿真结果如图11a所示。为确保实现适当的电压调节，必须维持数据手册所示的最小负载电流。对于LT3080而言，至少需要1mA的负载电流才能使输出在各种工作条件下保持稳定。但请注意，当输出电压降低时，裕量电压会略有增加，如图11a所示。由于SET和OUTS引脚的分压网络比率不同，LDO的输入输出电压差会呈现一个微小斜率，导致裕量电压发生变化，而不是像图11b中所示那样在所有输出电压下保持恒定。然而，这种设计考量，即在最大输出电压下设置1.5V的裕量，可确保在所有输出电压下保持所需的LDO裕量。

图11.(a) LDO输出电压和输入电压；(b) 裕量电压变化

 

结语

本文介绍了一种简单而有效的方法，利用电流基准开关稳压器来管理LDO电压裕量。即使采用不支持电压输入输出控制(VIOC)功能的LDO，也能实现动态裕量控制。通过应用电压裕量控制技术，并借助仿真、实际电路实现方案和基准测试数据来验证设计，这种解决方案的有效性得到了充分证实。结果表明，使用LDO后置滤波器可以显著提高输出频谱的纯净度，降低基波输出纹波和谐波，同时也为精准控制电压裕量提供了一种有效的策略。实际测量结果显示，开关稳压器的输出紧紧跟随LDO的输出，两者之间保持一个固定的电压偏移量，具体的偏移量可通过单个电阻精确配置。它在不同输出电压下实现了效率与低噪声的平衡，让系统工程师可获得高效、低噪声的供电系统。此外，对于某些应用场景，例如在低LDO输出电压条件下保持LDO的最小工作电压，或在高LDO输出电压条件下确保电流基准开关稳压器的引脚电压低于绝对最大额定值，本文展示了一些电路设计变通方案的示例。