利用电流基准开关稳压器设计来优化LDO裕量控制——第二部分：设计、实现方案和评估结果
摘要
本文讨论了一种简单而有效的低压差 (LDO) 稳压器电压裕量（ LDO 输出电压与输入电压之差）控制方法，即采用基于电流源基准架构的开关稳压器。它通过一种结构化方式来控制 LDO 裕量，同时确保在不同输出电压下实现高效率与低噪声的平衡。文中包括实际电路实现方案、基于仿真的验证和实际性能结果，重点强调了节能且噪声敏感系统的设计考量因素。
引言
本文是两篇系列文章的第二部分。 第一部分 聚焦于识别开关稳压器中的各种噪声源，分析其对各种模拟信号链器件的影响，并概述了减轻噪声影响以提升性能的策略。第二部分介绍采用 电流基准开关 稳压器的低压差 (LDO) 裕量控制的设计与实现方案。图 1 所示架构利用电流源基准开关稳压器，根据电流源基准 (IREF) 和连接到 SET （或 ISET ，取决于产品）引脚的外部电阻，生成输出电压。
这种方法的一个关键特点是， SET 引脚能以任何电压源为基准，而不局限于 GND 。这意味着输出电压可以跟踪另一个电压（例如后置稳压器 LDO 的输出），并通过 RSET 电阻设定一个额外的偏移量。对于需要在动态调整输出电压的的同时保持 LDO 电压裕量稳定的应用，这种灵活性至关重要。
例如，若将 RSET 电阻连接到图 1 所示后置 LDO 的输出端，则降压稳压器的输出电压 (Buck OUT) 或 LDO 的输入电压 (LDOIN) 可根据公式 1 确定。
这种配置确保了无论 LDO 输出电压 (LDOOUT) 如何变化，降压转换器都会动态调整输出以使 LDO 的电压裕量保持恒定。此方法非常适合 LDO 输出动态调整的应用，因为有助于在保持稳压性能的同时维持高效率。电压裕量通常由系统设计人员根据应用的优先要求设定，以实现电源电压抑制比 (PSRR) 与效率的平衡。例如，若设计人员要求 LDO 具有特定电压裕量，则应按照公式 2 选择 SET 电阻 (RSET) 。
这种设计配置非常稳健。即使由于过载或对地硬短路，后置 LDO 输出降至零或接近零，电流源基准开关稳压器也会继续保持高于 LDO 输出的电压裕量，从而确保 LDO 保持偏置状态，并能在故障清除后恢复正常。裕量电压应设置为高于 LDO 的最小工作输入电压，以确保 LDO 正常启动，并能从故障状况中恢复。
图 2 是另一个示例，通过在 INTV CC 和 ISET 引脚之间连接一个二极管，确保 LDO 电压始终高于最小工作电压 V IN 。
施加到下游 LDO (LT3086) 的最小电压 通过如下方式确定：从 LTC3649的 内部稳压器电压 (INTV CC ) 稳压值（通常为 3.45V ）中减去二极管的正向电压 Vd （通常为 0.7V ）。因此， LT3086 的输入电压约为 2.75V 。
然而，这款 LDO 的最低工作输入电压为 1.4V ，因此可以在不影响稳压器功能的情况下进一步降低输入电压。具体可以通过在二极管上串联一个电阻 R INTVCC 来实现，如图 3 所示。
串联电阻 R INTVCC 用于调整施加到 LDO 的期望最小输入电压 V min ，具体的值可通过公式 3 计算。
例如， LDO 裕量配置为 0.5V (RSET = 10kΩ) ，最小工作输入电压为 1.4V 。 LTC3649 的内部稳压器电压 V INTVCC 在 3.25V （最小值）到 3.65V （最大值）之间变化。最小输入电压 (V min ) 设置为 1.8V ，以便有足够的余量来应对各种变化，例如 V INTVCC 变化、二极管正向压降、电流源变化和电阻容差。然后将这些值代入公式 3 ，得出 R INTVCC 值为 7.3kΩ 。
从 E24 电阻系列中，选择标准值 7.5kΩ 作为 R INTVCC 值，这样可以满足目标电压要求。
图 4 所示应用涉及一个热电控制器 (TEC) ，其工作电压范围为 0V 至 9V ，用于温度控制， LDO 输出 (LDOOUT) 根据 TEC 命令信号动态设置。开关稳压器可以是 Silent Switcher® 3 (SS3) 或任何电流源基准降压转换器。 这样，从低频到开关稳压器的开关频率范围，都能实现低噪声性能。
为了证明所提出的设计方法有效， 降压转换器采用 18V IN 、 1A SS3 降压稳压器 LT83201 ，而 LDO 采用可调 1.1A 单电阻低压差稳压器 LT3080 ， 如图 5 所示。这款 LDO 非常适合精密电压调节应用，支持输出电压调低至 0V 。
LT3080 LDO 需要典型值 1.35V V CONTROL 来保持适当的输出电压调节。为了满足这一要求，并确保电路在各种条件下都能稳定运行，图 5 中的设计在 LDO 输入电压和输出电压之间提供了 1.5V 的电压裕量。
RSET 值可通过公式 4 计算。
图 6 展示了使用 LTspice® 仿真得到的 LDO 输出电压与输入电压之间关系的结果。命令电压施加于 LT3080 的 SET 引脚，在 5ms 内从 0V 升至 9V ，然后在接下来的 5ms 内降回 0V ，以此模拟输出电压的动态调整。
仿真结果显示，连接到降压稳压器输出端的 LDO 输入电压始终比输出电压高出 1.5V 。只要电压裕量保持在 LDO 的最小裕量要求之上，即可在整个工作范围内维持稳压，避免电压骤降。
除了仿真工作外，我们还利用 EVAL-LT83201-AZ和DC995A 实现了这种设计方法，以证明所提出概念的可行性。在整个测试过程中，电压裕量保持在约 1.5V 。与此同时，使用 100Hz 锯齿波驱动 LT3080 的 SET 引脚，电压在 0V 至 9V 之间循环，以此体现电压裕量的动态调整能力。这款硬件将本文所提出方法从仿真推向了现实，并为实际的实现方案提供了具体途径。测试结果如图 7 所示。
LDO 级采用电压裕量控制的一个显著优势在于，整体效率会得到提高。图 8a 中的系统效率曲线清楚反映了这一优势。与没有电压裕量控制的系统（橙色所示）相比（其中无论 LDO 输出电压如何，开关稳压器的输出都保持在 10.5V ），具有电压裕量控制的系统（蓝色所示）在整个输出电压范围内实现了更高的整体系统效率。当负载固定在 1A 时（图 8b ），电压裕量控制的优势更加明显。如图所示，禁用电压裕量控制可防止可调输出电压被调整至 5V 以下。这种限制是 LDO 的热 损耗 约束和封装散热限制造成的。
图 9 显示了采用后置 LDO 和不采用后置 LDO 的开关稳压器的频率输出频谱对比。测量在系统输出端进行。开关稳压器的输入电压设定为 18V ，而 LDO 的输出电压在两种配置下均设定为 1.8V ，负载电流均为 500mA 。电压裕量设置为 1.5V 。如图 9 所示，开关稳压器和 LDO 的组合用作后置滤波器，能够有效衰减基波纹波和谐波成分。 LT3080 的高 PSRR 在降噪方面发挥着关键作用，能够滤除纹波及其谐波，从而产生更干净的输出电压。这凸显了使用 LDO 的关键优势，即抑制开关噪声，同时确保精准的电压调节和良好的 动 态性能。
务必注意所用开关稳压器的绝对最大额定值，尤其是 SET 和 OUTS 引脚。对于 LT83201 ，这两个引脚的最大额定电压均为 13V 。这意味着，要使用这款器件， LDO 输出电压与其所需裕量之和必须始终低于 13V 。遵守这些限制可确保设计的完整性，防止对器件造成潜在损坏。然而，在可变输出电压需要超出 SET 和 OUTS 引脚绝对最大额定值的系统中，可以实现一个分压网络来降低施加于 SET 和 OUTS 引脚的电压，如图 10 所示。这种方法允许主输出电压以较高电平工作，同时确保 SET/OUTS 引脚电压处于安全工作限值内。
在图 10 的示例设计中，系统需要最大 15V 输出电压，但受限于 LT83201 SET 引脚的绝对最大额定值， 15V LDO 输出不能直接连接到该引脚。相反， LDO 输出 信号 首先通过电阻分压器进行 缩减 ，使得 SET 引脚电压始终在绝对最大额定值范围内。建议在最大输出电压时，将 SET 引脚电压配置为 12V 。在这种情况下，电阻值（ R5 和 R6 ）可根据公式 5 进行选择。
但是，为了确保系统能够从 0V 开始上电， R5 和 R6 的并联组合乘以 ISET 的结果必须等于或大于 LDO 所需的裕量电压。为确保不超过任何额定值，它应小于 SET 引脚的绝对最大额定值，如公式 6 所示。
其中， V headroom 是所需的最小 LDO 裕量电压， SET ( abs max rating ) 是 SET 引脚的最大额定电压。
同时运用公式 5 和公式 6 可计算出 R6 ，如公式 7 所示。
在图 10 中，设计需要 1.5V 的裕量电压，因此 R6 的计算结果为 50kΩ 。然后可通过公式 5 确定 R5 ，计算结果为 21.43kΩ 。可将标准 22kΩ 电阻用于 R5 。
选择 SET 引脚的分压网络后，必须计算 OUTS 引脚的分压网络。如 LT83201 数据手册中所述，建议适当选择 R1 和 R3 的电阻值，使其阻抗小于 5kΩ ，以确保其引入的噪声低于器件本身引入的噪声。因此，假设 R3 为固定值 10kΩ ，则 R1 的值可通过公式 8 确定。
仿真结果如图 11a 所示。为确保实现适当的电压调节，必须维持数据手册所示的最小负载电流。对于 LT3080 而言，至少需要 1mA 的负载电流才能使输出在各种工作条件下保持稳定。但请注意，当输出电压降低时，裕量电压会略有增加，如图 11a 所示。由于 SET 和 OUTS 引脚的分压网络比率不同， LDO 的输入输出电压差会呈现一个微小斜率，导致裕量电压发生变化，而不是像图 11b 中所示那样在所有输出电压下保持恒定。然而，这种设计考量，即在最大输出电压下设置 1.5V 的裕量，可确保在所有输出电压下保持所需的 LDO 裕量。
本文介绍了一种简单而有效的方法，利用 电流基准开关 稳压器来管理 LDO 电压裕量。即使采用不支持电压输入输出控制 (VIOC) 功能的 LDO ，也能实现动态裕量控制。通过应用电压裕量控制技术，并借助仿真、实际电路实现方案和基准测试数据来验证设计，这种解决方案的有效性得到了充分证实。结果表明，使用 LDO 后置滤波器可以显著提高输出频谱的纯净度，降低基波输出纹波和谐波，同时也为精准控制电压裕量提供了一种有效的策略。实际测量结果显示，开关稳压器的输出紧紧跟随 LDO 的输出，两者之间保持一个固定的电压偏移量，具体的偏移量可通过单个电阻精确配置。它在不同输出电压下实现了效率与低噪声的平衡，让系统工程师可获得高效、低噪声的供电系统。此外，对于某些应用场景，例如在低 LDO 输出电压条件下保持 LDO 的最小工作电压，或在高 LDO 输出电压条件下确保 电流基准开关 稳压器的引脚电压低于绝对最大额定值，本文展示了一些电路设计变通方案的示例。