ZHCACU2 july 2023
設(shè)計目標(biāo)
| VIN | VOUT | IOUT | 積分噪聲（10Hz-100kHz） | 效率 | PSRR（100kHz 時） | 功率損耗 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 12V±1V | 3.3V±1.0% | 1A | <10μVRMS | > 75% | > 50dB | < 1000mW |
設(shè)計說明
高性能測試和測量設(shè)備（例如頻譜分析儀、信號發(fā)生器、波形發(fā)生器、無線通信測試儀、示波器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）中使用的現(xiàn)代數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 和模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 對電源噪聲很敏感，原因在于噪聲會耦合到信號鏈中，從而導(dǎo)致降低測量質(zhì)量。低噪聲電源可以最大限度地提高信號完整性和系統(tǒng)性能，對于噪聲敏感型 ADC 和 DAC 來說必不可少。
有兩種類型的電源適用于直流到直流轉(zhuǎn)換：開關(guān)穩(wěn)壓器和線性穩(wěn)壓器。
開關(guān)穩(wěn)壓器通常用于高效地降低輸入電壓。不過，開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出包含一些開關(guān)噪聲，可能會對噪聲敏感型器件產(chǎn)生不利影響。另一方面，低壓降線性穩(wěn)壓器 (LDO) 具有低輸出噪聲，但由于效率低，僅可在低運行余量下使用，才能最大程度地降低功率耗散。
本應(yīng)用簡報介紹了通過結(jié)合使用開關(guān)轉(zhuǎn)換器和 LDO 來創(chuàng)建高效 (> 75%) 的超低噪聲 (<10μVRMS) 電源的過程。首先使用開關(guān)轉(zhuǎn)換器將大部分輸入電壓高效地降低至較低的電壓電平，以便最大限度地減少 LDO 的運行開銷。然后，使用 LDO 有效地消除所有剩余噪聲，從而提供低噪聲輸出。
圖 1 簡化原理圖設(shè)計說明
±0.1% 電阻器用于開關(guān)穩(wěn)壓器的反饋網(wǎng)絡(luò)，以便最大限度地減小輸出電壓變化。
需要 ±0.1% 的電阻器來設(shè)置 LDO 輸出電壓，以便滿足 ±1% 的輸出電壓容差要求。
±1% 容差的電阻器用于 EN、UVLO、PG 上拉電阻，因為這些功能不會影響系統(tǒng)輸出電壓精度。
輸入大容量電容器可最大程度地減少輸入電壓紋波，并且輸出電容器可濾除噪聲和瞬變。開關(guān)穩(wěn)壓器需要最小的輸入和輸出電容，才能實現(xiàn)穩(wěn)定性和正常運行；而線性穩(wěn)壓器同時需要輸入電容器和輸出電容器，才能實現(xiàn)最佳噪聲性能。
本設(shè)計中的陶瓷電容器很小，具有低等效串聯(lián)電阻 (ESR)，用于輸入和輸出去耦。但是，電容會因初始容差、溫度和電壓降額而變化。
電容器必須具有 ±20% 或更好的容差。本設(shè)計需要更多的初始電容以便應(yīng)對最壞情況下的電容要求，并且需要更多的空間。容差更嚴(yán)格的電容器可降低設(shè)計開銷。
陶瓷電容器的額定值表示為在工作溫度范圍內(nèi)的電容變化。本應(yīng)用簡報使用額定值為 X7R (-55°C - 125°C ±15%) 和 X7S (-55°C - 125°C ±22%) 的電容器。
本設(shè)計使用 TPSM82913 和 TPSM7A94 的評估模塊 (EVM) 進(jìn)行評估。
設(shè)計步驟
選擇 LDO
首先為系統(tǒng)選擇 LDO，LDO 必須滿足或超過負(fù)載所需的所有規(guī)格。
- VOUT ≥ 3.3V ±1%
- IOUT ≥ 1A
- 100Hz 至 100kHz 的積分噪聲 < 10μVRMS
- PSRR（100kHz 時）> 50dB
此電源中的 LDO 無需滿足 12V 的系統(tǒng)輸入要求，因為開關(guān)穩(wěn)壓器可用于將輸入電壓降至更接近輸出電壓的電壓值。
表 2 展示了可大致滿足要求的線性穩(wěn)壓器的簡短列表。
| PN | VIN | VOUT 最大值 | IOUT | 噪聲 | PSRR（100kHz，1A，VIN=3.8V，VOUT=3.3V 時） | PSRR（1MHz 時） | 最小壓降電壓 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| V | V | A | μVRMS | dB | dB | mV | |
| TPS7A94 | 1.7-5.7 | 5.5 | 1 | 0.46 | 65 | 48 | 240 |
| TPS7A96 | 1.7-5.7 | 5.5 | 2 | 0.46 | 60 | 40 | 250 |
| TPS7A91 | 1.4-6.5 | 5.2 | 1 | 4.7 | 40 | 40 | 200 |
| TPS7A88 | 1.4-6.5 | 5.2 | 1 | 3.8 | 40 | 40 | 200 |
| TPS7A20 | 1.6-6 | 5.5 | 0.3 | 7 | 60 | 40 | 145 |
| TPS7A21 | 2-6 | 5.5 | 0.5 | 7.7 | 61 | 50 | 175 |
| TPS7A57 | 0.7-6 | 5.2 | 5 | 2.1 | 60 | 30 | 110 |
要創(chuàng)建具有出色輸出噪聲性能的電源，請選擇具有超高 PSRR 和超低噪聲性能的 LDO。TPS7A94 具有 0.46μVRMS 的輸出噪聲，同時還滿足輸出電壓范圍、容差和電流要求。TPS7A94 比具有第二低噪聲的 LDO TPS7A88 的噪聲低 3.3μVRMS。
與 TPS7A94 相比，TPS7A96 具有相同的低噪聲性能，但輸出電流高出 2A，非常適合需要低噪聲和大于 1A 電流的系統(tǒng)。
TPS7A57、TPS7A91、TPS7A88 由于比列表中其他器件的 PSRR 低而未被選中。
TPS7A20 和 TPS7A21 不滿足 1A 的輸出電流要求。
設(shè)置 LDO 輸出電壓
圖 2 展示了一個簡化版的調(diào)節(jié)電路，其中系統(tǒng)輸出電壓通過內(nèi)部 150μA 電流源 (INR/SS) 和外部電阻器 (RNR/SS) 來設(shè)置。
要將 LDO 輸出電壓設(shè)置為 3.3V，請使用以下公式計算所需的 RNR/SS 電阻：
此處選擇使用 22.1k?，因為這是最接近上述值的 E96 電阻器值，可得到 3.315V 的標(biāo)稱 VOUT。
150μA 電流源具有 ±1% 的容差，因此需要使用高精度 ±0.1% 電阻器來最大程度地減小容差堆疊并滿足 ±1% 的輸出電壓容差要求。
圖 2 設(shè)置 LDO VOUT選擇 TPS7A94 CNR/SS
需要在輸出電壓噪聲與啟動時間之間進(jìn)行權(quán)衡。電容值越高，所需的啟動時間越長。表 3 顯示了兩者之間的權(quán)衡。
| 噪聲 (μVRMS)（10Hz 至 100kHz） | CNR/SS (μF) | Cout (μF) | 啟動時間 (ms) |
|---|---|---|---|
| 0.98 | 1 | 10 | 3.73 |
| 0.62 | 2.2 | 10 | 6.21 |
| 0.46 | 4.7 | 10 | 13.97 |
| 0.42 | 10 | 10 | 28.21 |
本設(shè)計旨在實現(xiàn)極低噪聲。盡管選擇 10μF CNR//SS 可實現(xiàn)超低噪聲，但啟動時間也較長。為 C_NR/SS 選擇 4.7 μF 電容器僅增加了 0.04μVrms 噪聲，而同時將啟動時間縮短了 15ms。因此，本設(shè)計選擇單個 4.7μF 電容器，以便在低噪聲和啟動時間之間取得平衡。
TPS7A94 PSRR 與運行余量間的關(guān)系
運行余量 (VOr Hr) 是指穩(wěn)壓器輸入和輸出電壓之差。根據(jù)圖 3，500mV 和 360mV 運行余量在 10Hz 至 100kHz 范圍內(nèi)的 PSRR 大于 50dB，而 300mV 和 240mV 運行余量在 10kHz 至 100kHz 范圍內(nèi)的 PSRR 小于 50dB。因此，開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓需要為 3.675V 或更高，才能滿足系統(tǒng) PSRR 要求。
圖 3 系統(tǒng) PSRR評估 LDO 功率損耗
TPS7A94 的 R?JA 為 25.6°C/W。在 VOr Hr = 500mV 且 IOUT = 1A 時，功率耗散為 500mW，產(chǎn)生的溫升為僅比環(huán)境溫度高 12.8°C。
TPS7A94 EVM 默認(rèn)設(shè)置
電流限制、軟啟動和 UVLO 電路均設(shè)置為 EVM 默認(rèn)值。請參閱 TPSM82913 數(shù)據(jù)表第 7.3.3 - 7.3.5 節(jié)，了解更多詳細(xì)信息。
選擇直流/直流轉(zhuǎn)換器
直流/直流轉(zhuǎn)換器必須滿足以下要求：
- VIN > 13V
- VOUT > 3.8V
- IOUT ≥ 1A
低噪聲直流/直流轉(zhuǎn)換器可降低總體系統(tǒng)噪聲，尤其是在 LDO PSRR 較低的頻率下。大多數(shù)直流/直流轉(zhuǎn)換器沒有指定的輸出噪聲值。TPSM82913 是 LDO 的替代產(chǎn)品，其噪聲比典型的降壓轉(zhuǎn)換器低得多。借助第二級濾波器，TPSM82913 在 10Hz 至 100kHz 范圍內(nèi)具有 22μVRMS 的積分噪聲。為了便于比較，典型開關(guān)轉(zhuǎn)換器 TPS543620 的積分噪聲為 87 μVRMS。
設(shè)置 TPSM82913 輸出電壓
要設(shè)置 TPSM82913 的輸出電壓，需要選擇反饋電阻器 R1 和 R2。
圖 4 反饋電阻TPSM82913 具有 0.8V 的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，在 EVM 上的 R2 設(shè)置為 4.87k? 時，使用以下公式計算 R1：
| 運行余量 (mV) | VOUT（V） | R1 (k?) |
|---|---|---|
| 500 | 3.8 | 18.2 |
| 360 | 3.66 | 17.4 |
| 300 | 3.6 | 17.2 |
| 240 | 3.54 | 16.9 |
TPSM82913 輸入電容器選擇
TPSM82913 需要最小 10μF 的輸入電容才能穩(wěn)定。考慮到在溫度和電壓范圍內(nèi)容差和電容的變化，使用兩個 10μF 25V X7S 陶瓷電容器。該 EVM 還包含一個 35V 47μF 電解電容器，用于補償長輸入電源線的電感。
TPSM82913 輸出電容器選型
圖 5 輸出電容器圖使用第二個 L-C 濾波器時，TPSM82913 具有以下輸出電容器要求：第一級 L-C 濾波器必須具有 40μF 至 80μF 的輸出電容，第二級 L-C 濾波器必須具有至少 20μF 的電容，并且兩個 L-C 濾波器的總電容必須小于 200μF。第一級和第二級使用三個 22μF、10V、X7R 陶瓷電容器，以便滿足輸出穩(wěn)定性和電容要求。
設(shè)置 TPSM82913 S-Config
開關(guān)頻率選擇為 2.2MHz，以便最大程度地減少 3.3V 至 4.3V 下相對較高 VOUT 的紋波。展頻功能旨在降低 SW 頻率噪聲和減少較高的諧波。由于 NSD 噪聲是在低得多的 10Hz 至 100kHz 頻率下測量，因此關(guān)閉展頻，并且由于不需要輸出放電和同步功能，因此將 S-Config 引腳直接連接到 VIN。有關(guān)其他 S-Config 引腳配置，請參閱數(shù)據(jù)表的表 7.1。
選擇鐵氧體磁珠
鐵氧體磁珠與第二組輸出電容器組合形成第二級濾波器，可進(jìn)一步抑制高頻噪聲。鐵氧體磁珠的電感需要在設(shè)計范圍內(nèi)以確保穩(wěn)定性，還需要高于 1A 的額定電流和低直流電阻。
TPSM82913 具有針對電感介于 10nH 至 50nH 之間的鐵氧體磁珠的內(nèi)部補償。鐵氧體磁珠阻抗指定值僅是在 100MHz 時的值，因此可以通過以下公式計算電感 L，并且 100MHz 時的阻抗需在 6.3Ω 至 31Ω 范圍內(nèi)。
- Z 是鐵氧體磁珠在指定頻率（通常為 100MHz）下的阻抗
- F 是測量阻抗時的頻率
BL18PS080SN1 具有 8.5Ω 的阻抗（在 100kHz 下）、4mΩ 的直流電阻、8A 直流額定值和 0603 封裝尺寸，可滿足該應(yīng)用的目標(biāo)要求。根據(jù)應(yīng)用要求，還可以選擇具有更大封裝尺寸、更高阻抗的鐵氧體磁珠。
系統(tǒng)總 PSRR
圖 6 系統(tǒng) PSRR系統(tǒng)總 PSRR 是 TPSM82913 和 TPS7A94 的 PSRR 之和。在本例中，PSRR 超過 170dB。
TPSM82913 熱性能
TPSM82913 在 1A 負(fù)載下 R?JA（結(jié)至環(huán)境熱阻）= 25.6°C/W，功率損耗為 0.5W，導(dǎo)致的溫升僅為高于環(huán)境溫度 12.8°C。
TPSM82913 EN/UVLO
當(dāng) VIN 升至高于 VUVLO (2.92V) 時，會啟用 TPSM82913，并且由于不需要器件同步、EN/SYNC 引腳直接連接到 VIN。
TPSM82913 電流限制
TPSM82913 具有 4.3A 的電流限制，足以滿足 1A 應(yīng)用要求。如果應(yīng)用需要不同的電流限制，請參閱 TPSM82913 數(shù)據(jù)表中的第 7.3.9 節(jié)。
測試結(jié)果
圖 7 噪聲密度測量TPSM82913 和 TPS7A94 的多種配置均在封閉射頻室內(nèi)進(jìn)行測試，并且系統(tǒng)輸出噪聲通過 E5052B 頻譜分析儀測量。如以上噪聲密度圖所示，僅使用開關(guān)轉(zhuǎn)換器時產(chǎn)生的噪聲最高，在 10Hz 至 100kHz 范圍內(nèi)為 23μVRMS。
當(dāng) TPS7A94 的運行余量小于 360mV 時，系統(tǒng)在 10Hz 至 100kHz 范圍內(nèi)的噪聲為 13μVRMS。
當(dāng) TPS7A94 具有 360mV 以上的運行余量時，系統(tǒng)在 10Hz 至 100kHz 范圍內(nèi)具有 0.5 μVRMS 的極低噪聲。
| 運行余量 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 積分帶寬 | 僅 TPSM82913 | 500mV | 360 mV | 300mV | 240 mV | |
| 噪聲 (μVRMS) | 10Hz - 100kHz | 22.43 | 0.49 | 0.51 | 11.34 | 12.97 |
| 1 Hz - 100 kHz | 29.05 | 1.44 | 1.50 | 20.91 | 21.14 | |
| 1Hz - 10MHz | 38.5 | 9.54 | 7.12 | 21.88 | 21.88 | |
| 效率 | 87% | 76% | 79% | 81% | 82% | |
| 功率耗散 (mW) | 480 | 1000 | 890 | 770 | 710 | |
當(dāng) VOr Hr 至少為 360mV（比典型壓降電壓 150mV 高 210mV）時，噪聲最低。要在壓降電壓最大值 240mV 時保持相同的裕度，需要 450mV 的最小運行余量。
總之，低噪聲直流/直流開關(guān)穩(wěn)壓器與具有足夠高余量的超低噪聲 LDO TPS7A94 搭配使用，可實現(xiàn)超低噪聲性能和高效率。