PM858 3BSE093350R1 利用VIOC自动优化LDO调节器效率

　　低压差(LDO)稳压器是为噪声敏感设备供电的可靠工具。除了提供直接电源轨，LDO调节器还对其他电源进行事后调节。开关转换器的噪声渗透到许多设计中，通常需要在下游安装一个LDO调节器来消除。虽然有效，但LDO调节器的功耗会对系统效率产生负面影响。独特的电压输入至输出控制(VIOC)引脚通过单一连接降低功耗并提高效率。VIOC引入了开关转换器的自动控制，以提供系统的最佳效率。

　　人们在日常生活的许多领域都依赖精密电子设备。这些设备提供精确的医疗诊断、最终产品的质量控制、水和空气中化学物质浓度的精确测量等等。测试设备和仪器中内置的精密硬件由噪声敏感器件组成，需要复杂的设计和测试规划来降低噪声。降低系统噪声的一个关键环节是电源轨。供电轨必须能够提供噪声和纹波最小的电压，以便在噪声敏感型应用中提供最佳性能。相比之下，向信号链提供高噪声供电轨会导致系统性能下降。一种提供低噪声功率的装置是LDO调节器。

　　LDO调节器通过简单的电阻分压器设置或单个电阻器设置可靠地降低和调节DC电压。LDO调节器具有干净、低噪声的输出，但与另一种电压调节器件——开关模式电源(SMPS)相比，其缺点是效率较低。现代SMPS设备的效率超过90%。然而，由于电感上的电流快速切换，开关转换器会产生高噪声输出，产生类似三角波形的电流。电感器的电压与流经它的电流的差分电流成正比。电流波形示例如图1所示。

　　图一。降压转换器的输出电流。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　开关转换器也会在其开关频率和高次谐波处产生电压杂散。这可以从任何开关转换器的频谱噪声含量中看出。电压噪声图像如图2所示。

　　图二。开关转换器的电压噪声。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　对开关转换器的输出进行滤波可以降低噪声。然而，大容量电容需要引入等效串联电阻(ESR)等寄生效应。ESR会增加电源的功耗，并可能导致效率降低。除了开关噪声纹波，开关转换器还容易受到宽带噪声、高频尖峰和振铃的影响。

　　将开关转换器与后调节LDO调节器相结合可以减轻噪声。开关转换器下游的LDO调节器将开关转换器的效率与LDO调节器的固有电源抑制比(PSRR)相结合，以净化噪声输出。然而，根据LDO调节器两端的电压降，这种实现仍然效率低下。

　　ADI公司独特的VIOC技术可以降低下游LDO稳压器的压降，从而满足低噪声和高效率的竞争要求。VIOC是一种主动控制系统，它提供来自LDO调节器的反馈，以调节开关变换器的输出电压。具有VIOC的LDO调节器自动优化开关转换器的输出电压。本文将讨论VIOC函数的技术细节，提供效率改进的实验证据，并考虑将VIOC用于可变下游电源轨的其他方式。

　　图3。调节后的LDO调节器框图。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　在图3中，开关转换器降低输入电压，为LDO调节器供电。该输出通常包含纹波，如图4所示。

　　图4。开关转换器输出电压。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　LDO调节器降压并将开关转换器的输出电压调节至其编程输出电压，产生干净的电压信号，非常适合精密信号链。衡量LDO调节器降噪能力的指标是PSRR。PSRR可以用PSRR = | 20 log(⇼vin put)/(⇼vout put)|;这种测量是在很宽的频谱范围内进行的，通常在10 Hz至1 MHz范围内。具有高PSRR的LDO调节器，例如1 MHz时80 dB，为开关噪声提供最佳衰减，使其成为清除失真输出电压的理想器件。LDO调节器输出轨的示例如图5所示。

　　图5。LDO调节器输出电压。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　虽然后调节LDO调节器有效地清洁了嘈杂的电源轨，但该解决方案效率低下。在图3所示的系统中，开关转换器的效率为90%，而LDO调节器的效率为66%，总效率约为59%。

　　无VIOC后调节LDO调节器的设计挑战

　　后监管LDO监管机构面临的挑战是设计一个效率最高的系统。图3中的低效率表明，由于输入至输出差分电压和负载电流较大，LDO调节器的功耗很大。等式1显示了如何计算LDO调节器的功耗。

　　PDISS=(VIN(LDO)−VOUT(LDO))×ILOAD(1)�����=(���(���)−����(���))×�����(1)将ADI公司的超低噪声LDO调节器与VIOC配合使用，并与开关转换器配合使用，可以提高系统效率。VIOC引脚影响开关转换器，将其输出电压调节到最佳水平，通过降低电压降来提高LDO调节器的效率。

　　VIOC行动

　　图6展示了一个带VIOC的LDO调节器LT3041与上游开关转换器的连接。VIOC和开关转换器的反馈(FB)引脚之间的连接确保LDO调节器上的电压差将被设置为开关转换器的已调节FB引脚电压。通过选择具有低FB电压(通常小于1 V)的开关转换器，可以最小化LDO调节器上的电压差，从而提高整体效率。例如，使用LT8648S作为具有600 mV FB引脚的上游转换器，LDO调节器将保持恒定的600 mV压降。通过这种连接，VIOC引脚将影响开关转换器的输出，产生满足等式2的输入电压信号。

　　VOUT(SWITCHER)=VIN(LDO)=VOUT(LDO)+VVIOC(2)����(��������)=���(���)=����(���)+�����(2)通过设置LDO调节器上的电压差，VIOC降低了开关转换器的输出电压，使LT3041成为可靠的节能工具。

　　图6。典型应用电路。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　VIOC的好处

　　图7显示了用于实验证明VIOC影响的后调节LDO调节器解决方案。LT3041评估套件位于ADI公司静音开关评估套件的下游®2技术，LT8648S。开关转换器的调节FB引脚值约为600 mV，因此当FB引脚和VIOC引脚相连时，可确保LDO调节器上的差分电压约为600 mV。LT8648S评估套件产生5 V输出电压，LT3041评估套件输出3.3 V电压，以下部分比较了该系统在无VIOC和有VIOC情况下的性能。对于每个实验，来自电源的12 V DC为LT8648S供电。实验结果如表1和表2所示。

　　图7。评估板连接。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　在第一个实验中，在VIOC引脚未连接的情况下，开关转换器调节接近5 V的电压，为LDO调节器供电。如表1所示，LDO调节器的效率约为67%，如图3所示，因为LDO调节器的主要功能是对开关转换器的输出进行后调节。虽然这种解决方案可以产生干净的电源轨，但效率很低。如前所述，低效率是由电压差导致LDO调节器消耗大量功率造成的。

　　表1。LT3041无VIOC后调节LT8648S

　　I在外(一)V在…里LDO五世V在外LDO五世VIOC五世PDLDO(分子量)LDO效率

　　0.14.9813.3101.66716766.4

　　0.54.9483.3081.62981566.8

　　14.9043.3061.577157767.4

　　在第二个实验中，LT8648S和LT3041之间的VIOC连接使开关电源将其输出电压调节到V外出(LDO)+VVIOC。当VIOC引脚连接到反馈引脚V时VIOC= V运货单(freight bill)= 600 mV。因为LT3041有一个V在外3.3 V时，LDO调节器的输入电压约为3.9 V。表2显示了LDO调节器产生的输入电压。

　　表二。LT3041使用VIOC对LT8648S进行后调节

　　I在外(一)V在…里LDO五世V在外LDO五世VIOC五世PDLDO(分子量)LDO效率

　　0.13.9263.3090.61061.0284.3

　　0.53.9043.3080.584291.8984.7

　　13.9013.3060.575574.7084.7

　　带VIOC的LT3041成功降低了LDO稳压器的电压差，从而提高了效率。VIOC引脚迫使开关转换器产生约3.9 V的电压，而不是传递来自开关的5 V信号，使用VIOC连接时，LDO调节器下降约600 mV，而另一个实验的电压差为1.7 V。与之前的实验相比，LDO调节器的输入电压降低后，效率提高了约84%，如表2所示，效率提高了17%，功耗降低了2.7倍。尽管这两个系统输出的功率相同，但它们的功耗却有很大差异。对于任何给定的负载，有VIOC的LDO调节器将优于没有VIOC的LDO调节器。通过VIOC，系统能够为LDO调节器提供理想的电压。

　　VIOC和开关转换器的反馈引脚之间的连接不能保证VIOC的省电优势。VIOC可以降低开关转换器的输出电压，但不能提高它。根据不等式，VOUT(SWITCHER) > V外出(LDO)+ VVIOC确保VIOC正在省电。如果违反了前面提到的不等式，LT3041仍会调节其输出电压，但不会优化开关的输出电压。

　　以下实验是系统突破自身极限以确保节能的一个例子。在该测试中，LDO调节器的输出电压被改变以产生标称4.32 V输出。从表3，V外出(LDO)+ VVIOC尚未超过开关转换器的5 V调节输出电压，这使得VIOC可以优化节能。请注意，开关调节器提供满足V的输入电压在LDO= V外出(LDO)+ VVIOC。此外，LDO调节器与VIOC保持约600 mV的压降。没有VIOC，LDO调节器将传递约5 V的输入电压，相反，表4显示了没有VIOC和5 V开关转换器输出的系统。请注意，LDO调节器的输入电压比表3中的电压更接近5 V。虽然具有VIOC的LDO调节器的效率提高了少量，但是表3和表4中的数据表明，VIOC将降低功耗，即使是少量的降低。

　　表3。LT3041使用VIOC对LT8648S进行后调节

　　I在外(一)V在…里LDO五世V在外LDO五世VIOC五世PDLDO(分子量)LDO效率

　　0.14.964.33.60762.287.4%

　　0.54.944.33.581305.287.6%

　　14.904.33.561559.888.5%

　　表4。无VIOC的输入电压

　　I在外(一)V在…里LDO五世V在外LDO五世LDO效率

　　0.14.9894.3486.9%

　　0.54.9874.3487.0%

　　14.9824.3487.1%

　　一些可变负载电压的应用会产生VLDO郊外+ VVIOC以增加超过开关调节器的调节输出电压。考虑具有5 V调节输出和600mV FB电压的LT8648S调节器，但与现在输出5 V的LT3041配对。当与VIOC一起使用时，器件组合产生5.6 V的LDO调节器输入电压，基于公式V在LDO= V外出(LDO)+ VVIOC。该值远大于开关调节器的5 V输出。这种情况会禁用LDO调节器的节能功能。

　　可变负载的节能

　　在可变负载的情况下，VIOC可以用三个电阻编程，如图8所示。这种设置可以通过设置电阻R1、R2和R3来设置输入至输出差分。要正确确定三个电阻的尺寸，请参考LT3041数据手册。虽然这种方法在节能方面不如将VIOC直接连接到开关转换器的反馈引脚有效，但对于具有可变负载的应用来说仍然是可靠的。通过将电压差编程为设定电压，用户将能够利用LDO调节器上的恒定电压降，尽管输出电压可变。图8是一个有和没有电阻的可变负载场景示例。

　　图8。可变负载电路配置。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　考虑图9中的框图，这是一个LDO调节器，它在没有VIOC的情况下对开关转换器进行后调节。开关转换器产生6.5 V输出，LDO调节器产生5 V输出。

　　图9。一个5 V的LDO稳压器输出没有VIOC。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　该系统在LDO调节器上产生1.5 V的压降和1.5 W的功率损耗。由于负载是可变的，LDO调节器的输出电压也随之变化。在本例中，LDO调节器的输出电压降至3.3 V，如图10所示。

　　图10。不含VIOC的3.3 V输出。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　新的3.3 V负载导致LDO调节器上的压降为3.2 V，功率损失为3.2 W，LDO调节器效率从79.9%降至50.8%。

　　相比之下，设置图8所示的电阻可以消除可变负载下功耗和效率的波动。考虑图10中的前一种情况，但LDO调节器利用VIOC，三个电阻将电压差设置为1.5 V输出(切换器)= V差异(LDO)+ V外出(LDO)。当可变负载导致输出电压从5 V降至3.3 V时，开关转换器输出电压降至4.8 V，而不是其编程的6.5 V输出，如图11所示。

　　图11。带VIOC的3.3 V输出。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　这三个电阻对电压差进行编程，并在LDO调节器上设置恒定的1.5 V压降。对于1 A负载，LDO调节器损失的不是3.2 W的功率，而是1.5 W的功率。借助VIOC和三个电阻，当负载电压降至3.3 V时，LDO稳压器可节省两倍以上的功率。这种连接可使3.3 V负载的效率达到68.8%，而之前的方案可使相同负载的效率达到50.8%。虽然这两个系统提供相同数量的电力，LDO调节器与VIOC提供更有效的电力。

　　带VIOC与不带的LDO调节器

　　总体而言，有VIOC的LDO监管机构比没有VIOC的LDO监管机构表现更好。ADI公司的超低噪声LDO调节器采用VIOC，实现了效率和高质量输出信号的完美平衡。VIOC和LDO监管机构的PSRR相结合，使LT3041成为一款两用工具，既能处理噪声输入，又能优化系统效率。当负载变化时，VIOC引脚会自动调整以优化系统。在所有条件下，LDO调节器与VIOC证明是优越的。它还提高了效率，降低了功耗。有VIOC的LDO监管机构和没有VIOC的LDO监管机构之间的主要区别在于VIOC引入的控制。自动控制允许LDO调节器对上游直流-DC转换器进行动态调整，以实现最佳效率。自动化控制将ADI公司的技术推向电源电路遥测的趋势。随着PMBus和其他收集数据的方法越来越多地用于改善电力系统，VIOC提供了另一层自动化电力控制。