低压差电压 （LDO） 稳压器是为噪声敏感器件供电的可靠工具。 除了提供直接电源轨外，LDO稳压器还可以对其他电源进行后置调节。 开关转换器的噪声会渗透到许多设计中，通常需要下游LDO稳压器来消除噪声。 虽然LDO稳压器是有效的，但它们的功耗会对系统效率产生负面影响。 专门设计的电压输入至输出控制 （VIOC） 引脚通过单个连接降低了功耗并提高了效率。 VIOC 引入了开关转换器的自动控制功能，以实现最佳系统效率。 本文重点介绍一款性能优于无 VIOC 的 LDO 稳压器的超低噪声 LDO 稳压器。
人们在日常生活的许多领域都依赖复杂的电子产品。 这些设备可以提供复杂的医疗诊断、最终产品的质量控制、水和空气中化学浓度的精确测量等等。 测试设备和仪器内置的复杂硬件由噪声敏感设备组成，这些设备需要在设计和测试中进行复杂的规划以降低噪声。 降低系统噪声的一个关键方面是电源轨。 电源轨必须能够以最小的噪声和纹波提供电压，以便在噪声敏感型应用中提供出色的性能。 相反，为信号链提供嘈杂的电源轨会导致系统性能下降。 LDO稳压器是一种提供低噪声电源的器件。
LDO稳压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直流电压。 LDO稳压器提供干净、低噪声的输出，但与另一种稳压器件开关模式电源（SMPS）相比，其缺点是效率较低。 现代 SMPS 器件的效率超过 90%。 然而，由于电感两端的电流快速切换，开关转换器会产生类似于三角形波形的电流，从而产生高噪声输出。 电感器的电压与流过电感器的电流的差分电流成正比。 图1所示为电流波形示例。
图1降压转换器的输出电流。
开关转换器还在其开关频率下产生电压杂散和更高频率的谐波。 这可以从任何开关转换器的频谱噪声成分中看出。 电压噪声图像如图2所示。
图2开关转换器的电压噪声。
对开关转换器的输出进行滤波可降低噪声。 然而，这需要大电容，并引入等效串联电阻（ESR）等寄生效应。 ESR会增加电源的功耗，并可能导致效率降低。 除了开关噪声纹波外，开关转换器还容易受到宽带噪声、高频尖峰和振铃的影响。
将开关转换器与后置稳压LDO稳压器相结合，可降低噪声。 在开关转换器下游使用LDO稳压器，既可以提高开关转换器的效率，又可以提高LDO稳压器的固有电源抑制比（PSRR），从而实现高噪声输出的净化。 然而，由于LDO稳压器两端的压降，这种方法仍然效率低下。
ADI公司专用的VIOC技术通过降低下游LDO稳压器的压降，满足了低噪声和高效率的冲突要求。 VIOC 是一种有源控制系统，它提供来自 LDO 稳压器的反馈，以调节开关转换器的输出电压。 带有 VIOC 的 LDO 稳压器可自动优化开关转换器的输出电压。 本文将讨论 VIOC 功能的技术细节，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可能方式。
用于后部调节的LDO稳压器。
在图3中，开关转换器降低了输入电压，为LDO稳压器供电。 该输出通常包含纹波，如图4所示。
图3后稳压状态下的LDO稳压器框图。
图4开关转换器的输出电压。
LDO稳压器可降低开关转换器的输出电压，并将其调节至编程输出电压，以产生精密信号链所需的干净电压信号。 PSRR是决定LDO稳压器降噪效果的指标。 PSRR 可以使用以下公式计算：PSRR = |20 log(∆vinput)/(∆voutput )|该测量通常在 10 Hz 至 1 MHz 的宽频谱上进行。 具有高PSRR（例如，1 MHz时为80 dB）的LDO稳压器可以很好地衰减开关噪声，因此非常适合净化失真的输出电压。 LDO稳压器输出轨的示例如图5所示。
图5LDO稳压器的输出电压。
虽然重新稳压的LDO稳压器可以有效降低电源轨的噪声，但这种解决方案效率低下。 在图3所示的系统中，开关转换器的效率为90%，而LDO稳压器的效率为66%，整体效率约为59%。
没有 VIOC 的后稳压 LDO 稳压器的设计挑战。
后稳压LDO稳压器面临的挑战是设计一个非常高效的系统。 图3中的低效率表明，由于输入至输出压差和负载电流较大，LDO稳压器具有相当大的功率耗散。 公式 1 显示了如何计算 LDO 稳压器的功耗。
将ADI公司的超低噪声LDO稳压器与VIOC配合使用，并将其与开关转换器配对，可提高系统效率。 VIOC 引脚使开关转换器将其输出电压调节到理想水平，从而通过降低 LDO 稳压器两端的压降来提高其效率。
VIOC 的工作原理。
图 6 显示了具有 VIOC 功能的 LT3041 LDO 稳压器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 稳压器上的电压差将设置为开关转换器 FB 引脚上的稳压电压。 通过选择具有低FB电压（通常小于1 V）的开关转换器，可以充分减小LDO稳压器两端的电压差，从而提高整体效率。 在一个示例中，LT8648S用作上游转换器，FB引脚电压为600 mV，LDO稳压器将保持600 mV的恒定压降。 通过这种连接，VIOC 引脚将影响开关转换器的输出，产生满足公式 2 的输入电压信号。
图6典型应用电路。
通过设置 LDO 稳压器两端的电压差，VIOC 降低了开关转换器的输出电压，从而使 LT3041 成为一种可靠的节能工具。
VIOC的优点：
图 7 显示了用于实验演示 VIOC 效应的后稳压 LDO 稳压器解决方案。 LT3041 的评估套件位于 LT8648S 评估套件的下游，这是一款 ADI Silent Switcher 2 器件。 开关转换器的FB引脚的稳压值约为600 mV，当FB引脚和VIOC引脚连接时，LDO稳压器两端的电压差约为600 mV。 LT8648S评估板产生5 V输出电压，LT3041评估套件输出3 V3 v。以下部分比较了不使用 VIOC 和使用 VIOC 的系统的性能。 每个实验都使用来自电源的 12 V DC 为LT8648S供电。 实验结果见表1和表2。
图7评估板连接。
在第一个实验中，VIOC引脚未连接，开关转换器将电压调节至接近5 V，为LDO稳压器供电。 表1显示，LDO稳压器的效率约为67%，与图3中的预期相同，因为LDO稳压器的主要功能是对开关转换器的输出进行后置调节。 虽然该解决方案可产生清洁的电源轨，但效率低下。 如前所述，效率低的原因是LDO稳压器由于电压差而消耗大量功率。
表1LT3041 后部可调LT8648S不使用 VIOC
在第二个实验中，LT8648S和 LT3041 之间的 VIOC 连接导致开关电源将其输出电压调节为 VOUT（LDO） +VVIOC。 当VIOC引脚连接到反馈引脚时，VVIOC = VFB = 600 mV。 LT3041 的 vout 为 33 V，因此 LDO 稳压器的输入电压约为 39 v。表 2 显示了得到的 LDO 稳压器输入电压。
表2LT3041 具有 VIOC 的后部调节LT8648S
具有 VIOC 的 LT3041 成功地降低了 LDO 稳压器两端的电压差，从而提高了效率。 VIOC 引脚不是从开关转换器传递 5 V 信号，而是强制开关转换器产生大约 39 V 电压。 采用 VIOC 连接时，LDO 稳压器差分电压降至约 600 mV，而 1 mV7 V 电压差。 LDO稳压器的输入电压效率降低到约84%（如表2所示），与之前的实验相比，效率提高了17%，功耗降低了2%7次。 虽然两个系统输出的功率相同，但功耗却大不相同。 对于任何给定负载，使用 VIOC 的 LDO 稳压器的性能将优于不使用 VIOC 的 LDO 稳压器。 借助 VIOC，系统能够为 LDO 稳压器提供理想的电压。
VIOC 和开关转换器的反馈引脚之间的连接并不能保证 VIOC 的节能优势。 VIOC可以降低开关转换器的输出电压，但不能增加。 在不平等之后，VOUT（开关）>VOUT（LDO）+VVIOC确保了VIOC带来省电优势。 如果违反上述不等式，LT3041 仍将调节其输出电压，但不会优化开关转换器的输出电压。
以下实验是系统突破其阈值以确保节能的示例。 在此测试中，LDO稳压器的输出电压发生变化，导致标称值为432 V 输出。 从表3可以看出，VOUT（LDO）+VVIOC尚未超过开关转换器的5 V稳压输出电压，因此可以优化VIOC以节省功耗。 请注意，开关稳压器提供的输入电压满足 VIN（LDO） = VOUT（LDO） + VVIOC。 此外，LDO稳压器通过VIOC保持约600 mV的压降。 如果不使用VIOC，LDO稳压器将通过约5 V的输入电压。 表4所示为不带VIOC的系统，其开关转换器输出为5 V。 请注意，LDO稳压器的输入电压比表3中的值更接近5 V。 虽然采用 VIOC 的 LDO 稳压器的效率略有提高，但表 3 和表 4 中的数据表明，VIOC 降低了功耗，即使降低了功耗。
表3LT3041 具有 VIOC 的后部调节LT8648S
表4不使用 VIOC 的输入电压。
某些具有可变负载电压的应用可能导致 VOUT LDO + VVIOC 超过开关稳压器的稳压输出电压。 考虑具有5 V稳压输出和600 mV FB的LT8648S稳压器，与LT3041配对，但后者现在输出5 V。 使用VIOC时，根据公式VIN （LDO） = VOUT（LDO） + VVIOC，这些器件的组合可使LDO稳压器的输入电压为56 v。该值远大于开关稳压器的5 V输出。 这种情况使LDO稳压器的省电功能失效。
可变负载的省电。
在可变负载下，VIOC 可利用三个电阻器进行编程，如图 8 所示。 此配置可通过设置电阻 R1、R2 和 R3 来设置输入至输出差分电压。 要正确调整这三个电阻器的尺寸，请参考 LT3041 的产品手册。 虽然这种方法在省电方面不如将 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，它仍然很可靠。 通过将电压差编程到设定电压，即使输出电压可变，用户仍能够利用LDO稳压器两端的恒定压降。 图8是使用和不使用这些电阻的可变负载场景示例。
图8可变负载电路配置。
考虑图9中的框图，该框图表示一个LDO稳压器，它不使用VIOC对开关转换器进行后置稳压。 开关转换器产生 65 V 输出，LDO 稳压器产生 5 V 输出。
图95 V LDO稳压器输出，不带VIOC。
该系统导致LDO稳压器上的压降为15 V，功率损耗为 15 w。由于负载是可变的，LDO稳压器的输出电压会发生变化。 在本例中，LDO稳压器的输出电压降至33 V，如图10所示。
图103. 不使用 VIOC3 V 输出。
新品 33 V负载导致LDO稳压器上的压降为32 V，功率损耗为 32 W，LDO稳压器效率低至799% 至 508%。
相比之下，设置图8所示的电阻可以消除可变负载下的功率耗散和效率波动。 考虑前面的情况，如图10所示，但LDO稳压器使用VIOC，三个电阻将电压差设置为15 v。开关转换器将输出 vout（switcher） = vdifferntial（LDO） + vout（LDO）。 当可变负载导致输出电压从 5 V 降至 3 V 时在3 V时，开关转换器的输出电压降至48 V，而不是 6 V5 V输出，如图11所示。
图113. 使用 VIOC 33 V 输出。
电压差通过三个电阻器进行编程，以将LDO稳压器两端的压降设置为恒定的15 v。对于1 A负载，LDO稳压器丢失15 W 的功率而不是 3 W2 W 功率。 在VIOC和三个电阻的帮助下，当负载电压下降到3在3 V电压下，LDO稳压器的功耗可以提高一倍以上。 连接使 33 V 负载的效率达到 688%，而对于相同的负载，前一个场景的效率为 508%。虽然两个系统提供相同的功率，但采用 VIOC 的 LDO 稳压器效率更高。
结论。 总体而言，采用 VIOC 的 LDO 稳压器优于不采用 VIOC 的 LDO 稳压器。 ADI 采用 VIOC 的超低噪声 LDO 稳压器可在效率和输出信号质量之间实现理想平衡。 VIOC 和 LDO 稳压器 PSRR 的组合使 LT3041 成为一种两用工具，能够处理噪声输入，同时优化系统效率。 当负载发生变化时，VIOC 引脚会自动调整以优化系统。 事实证明，使用VIOC的LDO稳压器在所有条件下都具有优越性。 它还可以提高效率并降低功耗。 使用 VIOC 的 LDO 稳压器和不使用 VIOC 的 LDO 稳压器之间的主要区别在于 VIOC 引入的控制功能。 通过自动控制，LDO稳压器可以实时动态调整上游DC-DC转换器，以实现最佳效率。 自动控制推动ADI技术跟上电源电路的遥测趋势。 随着人们越来越多地使用 PMBus 和其他方法来收集数据以改进电源系统，VIOC 提供了另一层自动电源控制。
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