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LDO基础知识:噪声 - 降噪引脚如何提高系统性能

使用低压降稳压器 (LDO) 来过滤开关模式电源产生的纹波电压并不是实现清洁直流电源的唯一考虑因素。由于 LDO 是电子器件,因此它们会自行产生一定量的噪声。选择低噪声 LDO 并采取措施来降低内部噪声对于生成不会影响系统性能的清洁电源轨而言不可或缺。

识别噪声


理想的 LDO 会生成没有交流元件的电压轨。遗憾的是,LDO 会像其他电子器件一样自行产生噪声。图 1 显示了这种噪声在时域中的表现方式。


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图 1:电源噪声的屏幕截图


时域分析并非易事。因此,检查噪声的主要方法有两种:跨频率检查和以积分值形式检查。


您可以使用频谱分析仪来识别 LDO 输出端的各种交流元件。图 2 描绘了 1A 低噪声 LDO TPS7A94 的输出噪声。


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图 2:TPS7A94 的噪声频谱密度与频率和 VOUT 的关系


从各条曲线可以看出,以微伏/平方根赫兹 (μV/√Hz) 表示的输出噪声集中在频谱的低端。这种噪声主要来自内部基准电压,但误差放大器、场效应晶体管 (FET) 和电阻分压器也会产生一定噪声。


在确定相关频率范围的噪声曲线时,跨频率查看输出噪声会有所助益。例如,音频应用设计人员会关心电源噪声可能会降低音质的可听频率(20Hz 至 20kHz)。


数据表通常为同类比较提供单一综合噪声值。输出噪声通常在 10Hz 至 100kHz 范围内积分,并以微伏均方根 (μVRMS) 表示。一些半导体制造商集成了从 100Hz 到 100kHz 或自定义频率范围的噪声。在特定频率范围内进行积分有助于掩盖令人不快的噪声特性,因此除了积分值之外,检查噪声曲线也很重要。图 2 显示了与各种曲线相对应的积分噪声值。德州仪器提供的 LDO 产品系列,其集成噪声值测量值可低至 0.47μVRMS。


降低噪声


除了选择具有低噪声品质的 LDO 之外,您还可以采用几种技术来确保您的 LDO 具有超低噪声特性。这些技术涉及使用降噪和前馈电容器,我们会在下周关于 LDO 基础知识的技术干货中进行讨论。


降噪电容器


TI 产品组合中的许多低噪声 LDO 都具有指定为 “NR/SS” 的特殊引脚。图 3 显示了用于实现降噪功能的常见拓扑。


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图 3:带有 NR/SS 引脚的 LDO 的常见拓扑


该引脚的功能是双重的。它用于过滤来自内部基准电压的噪声,并在启动期间降低压摆率或启用 LDO。


在此引脚 (CNR/SS) 上添加一个电容器可形成一个具有内部电阻的电阻电容 (RC) 滤波器,有助于分流由基准电压产生的不良噪声。由于基准电压是噪声的主要来源,因此增大电容有助于将低通滤波器的截止频率推至较低频率。图 4 显示了该电容器对输出噪声的影响。


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图 4:TPS7A91 的噪声频谱密度与频率和 CNR/SS 的关系


如图 4 所示,较大的 CNR/SS 值会产生更好的噪声系数。在某个时刻,增大电容将不再降低噪声。剩余的噪声来自误差放大器、FET 等。


添加电容器还会在启动期间引入 RC 延迟,从而导致输出电压以较慢的速度斜升。当输出或负载上存在大容量电容并且您需要减轻浪涌电流时,这是有利的。


以下公式将浪涌电流表示为:


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为了减少浪涌电流,您必须降低输出电容或降低压摆率。幸好,CNR/SS 有助于实现后者,如图 5 所示的 TPS7A85 相关内容。


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图 5:TPS7A85 的启动过程与 CNR/SS 的关系


如您所见,增加 CNR/SS 值会导致启动时间延长,从而防止浪涌电流尖峰并可能触发限流事件。请注意,某些具有 NR 引脚的 LDO 不会实现软启动功能。它们能够实现快速启动电路,即便使用大型降噪电容器也有助于实现超短启动时间。


结语


低噪声 LDO 对于确保清洁直流电源至关重要。选择具有低噪声特性的 LDO 并实施相关技术以确保尽可能干净的输出非常重要。使用 CNR/SS 有两大优势:它使您能够控制压摆率和过滤基准噪声。


THE END
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