低差(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稳压器也后调节其他电源。来自开关转换器的噪声渗透到许多设计中，通常需要一个LDO稳压器下游来消除它。虽然有效，但LDO稳压器的功耗会对系统的效率产生负面影响。独特的电压输入输出控制(VIOC)引脚减少了功耗，通过单次连接提高了效率。VIOC引入了开关转换器的自动控制，以提供系统的最佳效率。本文重点介绍了一种超低噪声LDO稳压器，其性能优于无VIOC的LDO稳压器。

介绍

人们在日常生活的许多领域都依赖于精密的电子设备。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设备组成，需要在设计和测试中进行复杂的规划以降低噪声。电源轨是降低系统噪声的关键环节。电源轨必须能够以最小的噪声和纹波提供电压，以便在噪声敏感的应用中提供最佳性能。相反，向信号链提供有噪声的电源轨道会导致系统性能差。一种提供低噪声功率的器件是LDO稳压器。

LDO稳压器通过简单的电阻分压器设置或单个电阻设置可靠地降压和调节直流电压。LDO稳压器具有干净，低噪声输出的特点，但与另一种电压调节装置，开关模式电源(SMPS)相比，其效率较低。现代SMPS设备的效率超过90%。然而，由于电流在电感上的快速切换，开关变换器会产生噪声输出，从而产生类似三角形波形的电流。电感器的电压与流过它的电流的差电流成正比。电流波形的示例如图1所示。

开关变换器在其开关频率和高次谐波处也产生电压杂散。这可以在任何开关变换器的频谱噪声含量中显示出来。电压噪声的图像可以在图2中看到。

滤波开关变换器的输出可以降低噪声。然而，它需要引入等效串联电阻(ESR)等寄生效应的大块电容器。ESR增加了电源的功耗，并可能导致效率降低。除了开关噪声纹波，开关变换器还容易受到宽带噪声、高频尖峰和振铃的影响。

将开关变换器与后调LDO稳压器相结合可以降低噪声。开关变换器下游的LDO稳压器将开关变换器的效率与LDO稳压器的固有电源抑制比(PSRR)相结合，以清除噪声输出。然而，这种实现仍然受到低效率的影响，这取决于LDO稳压器上的电压降。

器件独特的VIOC技术通过降低下游LDO稳压器的电压降，解决了低噪声和效率的竞争要求。VIOC是一种主动控制系统，它提供LDO稳压器的反馈来调节开关变换器的输出电压。带VIOC的LDO稳压器可自动优化开关变换器的输出电压。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方法。

用于后监管的LDO调节器

在图3中，开关转换器降低输入电压，为LDO稳压器提供电源。该输出通常包含波纹，如图4所示。

LDO稳压器降压并将开关转换器的输出电压调节到其编程输出电压，产生干净的电压信号，是精确信号链的理想选择。决定LDO稳压器降噪效果的指标是PSRR。PSRR可以使用PSRR = |20 log(得尔塔V(INPUT))/(得尔塔V(OUTPUT))|来计算，该测量通常在10 Hz至1 MHz范围内的宽频谱上进行。具有高PSRR的LDO稳压器，例如在1 MHz时为80 dB，可提供最佳的开关噪声衰减，使其成为清除失真输出电压的完美设备。LDO稳压器输出轨的示例如图5所示。

虽然后调节LDO稳压器有效地清除了噪声电源轨，但该解决方案效率低下。在图3中的系统中，开关变换器效率为90%，而LDO稳压器效率为66%，总效率为~59%。

无VIOC后调节LDO调节器的设计挑战

后调节LDO调节器的挑战是设计一个效率最高的系统。图3中的低效率表明，由于输入输出差分电压和负载电流大，LDO稳压器的功耗很大。公式1显示了如何计算LDO稳压器的功耗。

使用超低噪声LDO稳压器与VIOC并与开关转换器配对，可提高系统效率。VIOC引脚影响开关变换器将其输出电压调节到最佳水平，从而通过降低其上的电压降来提高LDO稳压器的效率。

VIOC操作

图6展示了带VIOC (LT3041)的LDO稳压器与上游开关转换器的连接。VIOC和开关变换器的反馈(FB)引脚之间的连接确保LDO稳压器上的电压差将被设置为开关变换器的调节FB引脚电压。通过选择具有低FB电压(通常小于1 V)的开关变换器，可以最小化LDO稳压器上的电压差，从而提高整体效率。在使用LT8648S作为具有600 mV FB引脚的上游转换器的示例中，LDO稳压器将在自身上保持恒定的600 mV降。通过这种连接，VIOC引脚将影响开关变换器的输出，产生满足式2的输入电压信号。

通过设置LDO稳压器上的电压差，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。

VIOC的好处

图7显示了用于实验证明VIOC影响的后调节LDO调节器溶液。LT3041的评估套件位于Silent Switcher 2技术评估套件LT8648S的下游。开关变换器的特点是调节FB引脚值为~600 mV，从而确保当FB引脚和VIOC引脚连接时，LDO稳压器上有~600 mV的差分。LT8648S评估套件输出电压为5 V, LT3041评估套件输出电压为3.3 V。下面的部分比较了该系统在没有使用VIOC和使用VIOC时的性能。每次实验都需要12v直流电源为LT8648S供电。实验结果如表1和表2所示。

在第一个实验中，在没有连接VIOC引脚的情况下，开关转换器调节接近5 V的电压，为LDO稳压器供电。表1所示的LDO稳压器的效率为~67%，如图3所示，因为LDO稳压器的主要功能是后调开关变换器的输出。虽然这种解决方案产生了清洁的电源轨道，但效率很低。如前所述，低效率是由LDO稳压器由于电压差而耗散大量功率引起的。

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V(OUT(LDO)) +V(VIOC)。VIOC引脚接反馈引脚时，VV(IOC) = V(FB) = 600mv。由于LT3041的V(OUT)为3.3 V，因此LDO稳压器的输入电压为~3.9 V。表2显示了LDO稳压器产生的输入电压。

带VIOC的LT3041成功地降低了LDO稳压器上的电压差，从而提高了效率。而不是从开关传递5v信号，VIOC引脚迫使开关转换器产生~3.9 V。在VIOC连接下，LDO稳压器下降了~600 mV，而另一个实验的电压差为1.7 V。降低LDO稳压器的输入电压后，效率达到了表2所示的84%，效率提高了17%，功耗降低了2.7倍。尽管这两种系统输出的功率相同，但它们在功耗方面存在巨大差异。对于任何给定负载，带VIOC的LDO稳压器的性能都优于不带VIOC的LDO稳压器。使用VIOC，系统能够为LDO稳压器提供最理想的电压。

VIOC与开关变换器反馈引脚之间的连接并不能保证VIOC的节能效果。VIOC可以降低开关变换器的输出电压，但不能提高输出电压。根据不等式，V(OUT(SWITCHER)) >V(OUT(LDO)) + V(VIOC)表示VIOC省电。如果违反了前面提到的不等式，那么LT3041仍然调节其输出电压，但它不优化开关的输出电压。

下面的实验是系统突破极限以确保节能的一个例子。在这个测试中，LDO稳压器的输出电压被改变为产生一个标称的4.32 V输出。从表3中可以看出，V(OUT(LDO)) + V(VIOC)尚未超过开关变换器的稳压输出电压5v，这使得VIOC可以优化节能。注意，开关稳压器提供的输入电压满足V(IN(LDO)) = V(OUT(LDO)) + V(VIOC)。此外，LDO稳压器与VIOC保持约600 mV的下降。如果没有VIOC, LDO稳压器将通过~5 V的输入电压。相反，表4显示了没有VIOC和5v开关变换器输出的系统。注意LDO稳压器的输入电压比表3更接近5 V。虽然采用VIOC的LDO稳压器的效率稍微好一点，但表3和表4中的数据表明，VIOC会降低功耗，即使是很小的一部分。

一些具有可变负载电压的应用导致V(OUT_LDO) + V(VIOC)增加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电压的LT8648S稳压器，但与现在输出5 V的LT3041配对。当与VIOC一起使用时，根据公式V(in (LDO)) = V(OUT(LDO)) + V(VIOC)，各部分的组合产生5.6 V的LDO稳压器输入电压。这个值比开关稳压器的5 V输出大得多。此场景禁用LDO调节器的省电功能。

可变负载的电力节省

在可变负载的情况下，VIOC可以用三个电阻进行编程，如图8所示。这种设置可以通过设置电阻R1、R2和R3来对输入输出差分进行编程。要正确调整三个电阻器的尺寸，请参阅LT3041数据表。虽然这种方法在节省功率方面不如将VIOC直接连接到开关转换器的反馈引脚那样有效，但对于具有可变负载的应用仍然是可靠的。通过将电压差编程为设定电压，用户将能够利用LDO稳压器的恒定压降，尽管输出电压可变。图8是一个带有和不带有电阻器的可变负载场景的示例。

考虑图9中的框图，它是一个LDO稳压器，后调节一个没有VIOC的开关转换器。开关转换器产生6.5 V输出，LDO稳压器产生5 V输出。

该系统导致LDO稳压器的电压降为1.5 V，功率损失为1.5 W。由于负载是可变的，所以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3.3 V，如图10所示。

新的3.3 V负载导致LDO稳压器下降3.2 V，功率损失3.2 W, LDO稳压器效率从79.9%降低到50.8%。

相反，如图8所示的电阻器设置消除了在可变负载下功耗和效率的波动。考虑图10中前面的场景，但使用使用VIOC的LDO稳压器和三个电阻器将电压差设置为1.5 V。开关转换器将输出V(OUT(SWITCHER)) = V(differential (LDO)) + V(OUT(LDO))。当可变负载导致输出电压从5v下降到3.3 V时，开关变换器的输出电压下降到4.8 V，而不是编程输出的6.5 V，如图11所示。

三个电阻器对电压差进行编程，并在LDO稳压器上设置一个恒定的1.5 V降。而不是3.2 W的功率损失，LDO稳压器损失1.5 W的功率为1 a负载。使用VIOC和三个电阻，当负载电压降至3.3 V时，LDO稳压器节省了两倍以上的功率。该连接在3.3 V负载下的效率为68.8%，而前一场景在相同负载下的效率为50.8%。虽然这两种系统提供相同的功率，但带有VIOC的LDO稳压器提供的功率更有效。

结论

总体而言，带VIOC的LDO稳压器优于不带VIOC的LDO稳压器。超低噪声LDO稳压器与VIOC提供效率和质量输出信号的优雅平衡。VIOC和LDO稳压器的PSRR的结合使LT3041成为处理噪声输入和优化系统效率的双重工具。当负载变化时，VIOC引脚自动调整以优化系统。在所有条件下，具有VIOC的LDO调节器被证明是优越的。它还提高了效率，降低了功耗。带VIOC的LDO稳压器和不带VIOC的LDO稳压器的主要区别在于VIOC引入的控制。自动控制允许LDO稳压器对上游dc - dc转换器进行动态调整，从而实现最佳效率。自动化控制推动了电力电路遥测技术的发展。随着越来越多地使用PMBus 和其他收集数据的方法来改进电力系统，VIOC提供了另一层自动化电力控制。