作者：Frederik Dostal，電源管理專家

摘要

在射頻(RF)技術(shù)、計(jì)量學(xué)等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用場景中，都需要極低噪聲的電源電壓。本文將闡釋并對(duì)比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與一種創(chuàng)新的高集成度設(shè)計(jì)方案，致力于為敏感的負(fù)載提供超低噪聲電源。新技術(shù)不僅帶來了更緊湊的設(shè)計(jì)，使用起來也更加便捷。

引言

射頻技術(shù)等應(yīng)用需要噪聲極低的電源電壓。諸如鎖相環(huán)(PLL)、壓控振蕩器(VCO)和高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)等易受干擾的電路，都需要低噪聲的供電。電源線路上的任何干擾都可能會(huì)影響應(yīng)用中的信號(hào)。為了產(chǎn)生極為干凈的電源電壓，通常會(huì)采用如圖1所示的電源鏈路。

圖1.由高效開關(guān)穩(wěn)壓器和下游線性穩(wěn)壓器組成的電壓轉(zhuǎn)換器。

開關(guān)穩(wěn)壓器將高電源電壓（如24 V）轉(zhuǎn)換為較低的電壓（如3.5 V）。然后，這種低電壓可用于為超低噪聲線性穩(wěn)壓器供電，在輸出端產(chǎn)生噪聲極低的3.3 V電壓。線性穩(wěn)壓器自身的噪聲水平極低，其均方根噪聲值處于0.8 μV區(qū)間內(nèi)，并具有高達(dá)76 dB的電源電壓抑制比(PSRR)（在1 MHz頻率下測(cè)得）。這種設(shè)置可減少由開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的電壓紋波。圖1中的設(shè)計(jì)展示了一種用于產(chǎn)生超低噪聲電壓的典型解決方案。

優(yōu)化的可能性

多級(jí)分立設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)起來不太容易。開關(guān)穩(wěn)壓器的實(shí)施離不開經(jīng)過精心優(yōu)化的印刷電路板(PCB)布局。否則，開關(guān)穩(wěn)壓器的快速開關(guān)瞬變會(huì)作為額外的干擾耦合到輸出電壓中。為了避免這種情況，有必要將線性穩(wěn)壓器布置到距離開關(guān)穩(wěn)壓器足夠遠(yuǎn)的位置，但這會(huì)造成電源設(shè)計(jì)占用大量空間。在這類應(yīng)用中，試圖集成開關(guān)穩(wěn)壓器電路和線性穩(wěn)壓器的嘗試往往以失敗收?qǐng)觯蛟谟陂_關(guān)過程中的噪聲會(huì)耦合至最終的輸出電壓。不過，此問題已有行之有效的解決方案。

圖2.高度集成的µModule穩(wěn)壓器，用于在盡可能小的空間內(nèi)產(chǎn)生噪聲最小的電壓。

解決方案

對(duì)于噪聲敏感型應(yīng)用，可以通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)來集成開關(guān)穩(wěn)壓器和線性穩(wěn)壓器。LTM8080是ADI公司µModule®系列中的一款產(chǎn)品中，在開關(guān)穩(wěn)壓器部分和集成的線性穩(wěn)壓器部分之間提供了內(nèi)部電磁屏蔽。這種內(nèi)置屏蔽層能夠吸收由開關(guān)穩(wěn)壓器部分快速切換的電流所產(chǎn)生的電磁干擾。因此，借助超緊湊的設(shè)計(jì)就能獲得干凈且精確調(diào)節(jié)的電源電壓。LTM8080可以同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)不同的電壓，并且采用尺寸為9 mm × 6.25 mm的封裝。其中包含了開關(guān)穩(wěn)壓器（包括電感器）和兩個(gè)超低噪聲的線性穩(wěn)壓器。

圖3.不同輸出電流的噪聲密度。

圖3顯示了不同輸出電流的噪聲密度。LTM8080能夠?qū)崿F(xiàn)均方根(rms)噪聲水平低于1 μV rms（在10 Hz至100 kHz之間）。相比之下，未經(jīng)電壓調(diào)節(jié)的鋰離子電池電壓的典型值為2.7 µV rms（在10 Hz至100 kHz之間）。因此，圖2中所示的電壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的噪聲比電池電壓產(chǎn)生的噪聲要小。

結(jié)論

此外，采用這種解決方案時(shí)，電路設(shè)計(jì)極為簡單，無需深入了解開關(guān)穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)和所需的PCB布局。

µModule穩(wěn)壓器巧妙的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了超低噪聲的供電，不僅集成度高，而且尺寸極為緊湊。

關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，致力于在現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實(shí)現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動(dòng)數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對(duì)氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2024財(cái)年收入超過90億美元，全球員工約2.4萬人。ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息，請(qǐng)?jiān)L問www.analog.com/cn。

作者簡介

Frederik Dostal是一名擁有20多年行業(yè)經(jīng)驗(yàn)的電源管理專家。他曾就讀于德國埃爾蘭根大學(xué)微電子學(xué)專業(yè)，并于2001年加入National Semiconductor公司，擔(dān)任現(xiàn)場應(yīng)用工程師，幫助客戶在項(xiàng)目中實(shí)施電源管理解決方案，進(jìn)而積累了不少經(jīng)驗(yàn)。在此期間，他還在美國亞利桑那州鳳凰城工作了4年，擔(dān)任應(yīng)用工程師，負(fù)責(zé)開關(guān)電源產(chǎn)品。他于2009年加入ADI公司，先后擔(dān)任多個(gè)產(chǎn)品線和歐洲技術(shù)支持職位，具備廣泛的設(shè)計(jì)和應(yīng)用知識(shí)，目前擔(dān)任電源管理專家。Frederik在ADI的德國慕尼黑分公司工作。