低噪声电源革命开关电源技术与设计的降压转换器之旅
在本系列的第一部分,我们探讨了线性稳压器,特别是如何通过它们实现最低的输出噪声。在第二部分,我们专注于集成后线性稳压器的电荷泵解决方案。这些前面的例子中,电路效率并不是优先考虑的因素。但是,如果我们同时需要高效率和低输出电压噪声呢?单一芯片解决方案是否足以提供两者?
开关稳压器输出噪声受到众多因素影响,如峰值感抗电流、负载电流、开关拓扑设计、控制环路技术、输出容量尺寸及特性以及元件值和布局。凌力尔特公司提供了一系列产品,它们在整个负载范围内都能保持极低的10mV峰峰值噪声水平。
对于开关模式转换器来说,在轻负载时提高效率是一个挑战,因为控制环路功耗和开关损耗占总功率预算的大头,而这与较重负载下的比例相比要大得多。凌力尔特获得专利的一个突发模式技术允许转换器,即使在轻负载下也能保持高效率,这种方法是在输出处于稳定状态时关闭非必要环节,但主动监控比较器以确保在输出开始下降时可以迅速打开控制环路。这一过程随着负载增大而自动从突发模式转至PWM工作模式,并且当负载减小时再次进行相反操作。进入或退出突发模式区间通常取决于输入、高出以及感抗大小,但一般不会超过100mA。
使用LTC3103的一些典型应用示例展示了其自动突发模式操作选项,如图1a所示。在5V输入与2.2V及100μA加载条件下,该模块采用突发模式即可达到80.3%高效率,显示出令人印象深刻的性能。
市场上许多其他产品同样宣称其超低静态电流和高效率功能,其中一些竞争品列出了更低于LTC3103 1.8μA瞬间静态当前但却表现不如LTC3103在轻加载条件下的性能。此外,当对比这些产品中的轻加载瞬间静态当前数值时,可以发现我们的数据表明,其实际有效用途范围往往更广达25%-45%之差。
虽然在PWM工作中,由于没有过度频繁地打断或打开主动监控点,因此纹波非常低,只由感抗电流波动和容量尺寸决定。而当系统逐渐降至突发工作模式且控制环路周期性打断/打开以节省能量,那么尽管精确调节平均 输出电压可能会变得更加困难,但由于每个打断点之间存在一定时间延迟,从而导致额外增加为次谐波噪声增加。当两个不同工作方式(见图2a/b)比较相同負載電流時,则可以观察到这一现象。
然而,有时候即便是这种“足够”的效果,也无法满足某些需求。在这样的情况下,一种选择就是将设备立即切换至连续运行,以最大限度地降低任何剩余噪音。这尤其适用于那些只有在传输数据或者进行敏感测量的时候才需要最底层无杂讯状态的情况,比如变送器等应用程序。此外,即使使能并且有充分大的負載電流,系统也会自行调整回最佳合适频率 PWM 模式来尽可能保证最少干扰信号产生,从而进一步提升整体系统性能(见图4)。
最后,还有一种选择:使用具有独立输入源引脚并能够支持150mV典型伏安差之类特征的集成式 3103mA 低压差线性稳定化工艺生产出的 LTC10 的一个版本——LTC3104。而该工艺包含一个独立后的 LDO 功能,这意味着它能够直接处理来自 LDO 的强制连接到继续运行状态以进一步减少剩余干扰信号级别(见图6)。
综上所述,无论是在追求最高效益还是要求极端清晰无杂讯的情境,都有各种各样的解决方案供用户选择。不仅如此,每一种选项都带来了独特性的优势,比如尺寸、小巧成本或者最大化性能等,使得客户能够根据他们具体需求做出最合适的人生抉择。