今年会·(jinnianhui)金字招牌-利用电流基准开关稳压器设计来优化LDO裕量控制

        使用电流基准开关稳压器设计来优化LDO裕量节制--第二部门：设计、实现方案及评估成果

发布时间：2026-05-27 来历：转载 责任编纂：lily

【导读】本文会商了一种简朴而有用的低压差(LDO)稳压器电压裕量（LDO输出电压与输入电压之差）节制要领，即采用基在电流源基准架构的开关稳压器。它经由过程一种布局化方式来节制LDO裕量，同时确保于差别输出电压下实现高效率与低噪声的均衡。文中包括现实电路实现方案、基在仿真的验证及现实机能成果，重点夸大了节能且噪声敏感体系的设计考量因素。

弁言

本文是两篇系列文章的第二部门。第一部门聚焦在辨认开关稳压器中的各类噪声源，阐发其对于各类模仿旌旗灯号链器件的影响，并概述了减轻噪声影响以晋升机能的计谋。第二部门先容采用电流基准开关稳压器的低压差(LDO)裕量节制的设计与实现方案。图1所示架构使用电流源基准开关稳压器，按照电流源基准(IREF)及毗连到SET（或者ISET，取决在产物）引脚的外部电阻，天生输出电压。

图1.具备电压裕量节制功效的电流源基准架构降压转换器及LDO稳压器框图

这类要领的一个要害特色是，SET引脚能以任何电压源为基准，而不局限在GND。这象征着输出电压可以跟踪另外一个电压（例如后置稳压器LDO的输出），并经由过程RSET电阻设定一个分外的偏移量。对于在需要于动态调解输出电压的的同时连结LDO电压裕量不变的运用，这类矫捷性至关主要。

例如，若将RSET电阻毗连到图1所示后置LDO的输出端，则降压稳压器的输出电压(Buck OUT)或者LDO的输入电压(LDOIN)可按照公式1确定。

这类配置确保了不管LDO输出电压(LDOOUT)怎样变化，降压转换器城市动态调解输出以使LDO的电压裕量连结恒定。此要领很是合适LDO输出动态调解的运用，由于有助在于连结稳压机能的同时维持高效率。电压裕量凡是由体系设计职员按照运用的优先要求设定，以实现电源电压制制比(PSRR)与效率的均衡。例如，若设计职员要求LDO具备特定电压裕量，则应根据公式2选择SET电阻(RSET)。

这类设计配置很是稳健。纵然因为过载或者对于地硬短路，后置LDO输出降至零或者靠近零，电流源基准开关稳压器也会继承连结高在LDO输出的电压裕量，从而确保LDO连结偏置状况，并能于妨碍断根后恢复正常。裕量电压应设置为高在LDO的最小事情输入电压，以确保LDO正常启动，并能从妨碍状态中恢复。

图2是另外一个示例，经由过程于INTVCC及ISET引脚之间毗连一个二极管，确保LDO电压始终高在最小事情电压VIN。

图2.基在LTC3649及LT3086的0.5V至32V、2.1A、低噪声、高效率电源

施加到下流LDO(LT3086)的最小电压经由过程以下方式确定：从LTC3649的内部稳压器电压(INTVCC)稳压值（凡是为3.45V）中减去二极管的正向电压Vd（凡是为0.7V）。是以，LT3086的输入电压约为2.75V。

然而，这款LDO的最低事情输入电压为1.4V，是以可以于不影响稳压器功效的环境下进一步降低输入电压。详细可以经由过程于二极管上串联一个电阻RINTVCC来实现，如图3所示。

图3.RINTVCC与二极管串联以降低输入电压

串联电阻RINTVCC用在调解施加到LDO的指望最小输入电压Vmin，详细的值可经由过程公式3计较。

例如，LDO裕量配置为0.5V (RSET = 10kΩ)，最小事情输入电压为1.4V。LTC3649的内部稳压器电压VINTVCC于3.25V（最小值）到3.65V（最年夜值）之间变化。最小输入电压(Vmin)设置为1.8V，以便有充足的余量来应答各类变化，例如VINTVCC变化、二极管正向压降、电流源变化及电阻容差。然后将这些值代入公式3，患上出RINTVCC值为7.3kΩ。

从E24电阻系列中，选择尺度值7.5kΩ作为RINTVCC值，如许可以满意方针电压要求。

图4所示运用触及一个热电节制器(TEC)，其事情电压规模为0V至9V，用在温度节制，LDO输出(LDOOUT)按照TEC号令旌旗灯号动态设置。开关稳压器可所以Silent Switcher® 3 (SS3)或者任何电流源基准降压转换器。 如许，从低频到开关稳压器的开关频率规模，都能实现低噪声机能。

图4.低噪声、可调电压电源，用在驱动高压TEC

仿真及测试成果

为了证实所提出的设计要领有用，降压转换器采用18VIN、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很是合适周详电压调治运用，撑持输出电压调低至0V。

LT3080 LDO需要典型值1.35V VCONTROL来连结适量的输出电压调治。为了满意这一要求，并确保电路于各类前提下都能不变运行，图5中的设计于LDO输入电压及输出电压之间提供了1.5V的电压裕量。

RSET值可经由过程公式4计较。

图6展示了利用LTspice®仿真获得的LDO输出电压与输入电压之间瓜葛的成果。号令电压施加在LT3080的SET引脚，于5ms内从0V升至9V，然后于接下来的5ms内降回0V，以此模仿输出电压的动态调解。

图5.LT3080 LDO采用LT83201电流源基准架构

仿真成果显示，毗连到降压稳压器输出真个LDO输入电压始终比输出电压超出跨越1.5V。只要电压裕量连结于LDO的最小裕量要求之上，便可于整个事情规模内维持稳压，防止电压骤降。

图6.LDO电压裕量节制于差别输出电压下的仿真成果

除了了仿真事情外，咱们还有使用EVAL-LT83201-AZ及DC995A实现了这类设计要领，以证实所提出观点的可行性。于整个测试历程中，电压裕量连结于约1.5V。与此同时，利用100Hz锯齿波驱动LT3080的SET引脚，电压于0V至9V之间轮回，以此表现电压裕量的动态调解能力。这款硬件将本文所提出要领从仿真推向了实际，并为现实的实现方案提供了详细路子。测试成果如图7所示。

图7.输出电压变化环境下LDO裕量电压跟踪的基准丈量成果

体系效率及输出噪声

LDO级采用电压裕量节制的一个显著上风于在，总体效率会获得提高。图8a中的体系效率曲线清晰反应了这一上风。与没有电压裕量节制的体系（橙色所示）比拟（此中不管LDO输出电压怎样，开关稳压器的输出都连结于10.5V），具备电压裕量节制的体系（蓝色所示）于整个输出电压规模内实现了更高的总体体系效率。当负载固定于1A时（图8b），电压裕量节制的上风越发较着。如图所示，禁用电压裕量节制可避免可调输出电压被调解至5V如下。这类限定是LDO的热损耗约束及封装散热限定酿成的。

图8.效率比力：(a)负载为9Ω电阻；(b)负载为1A电流

图9显示了采用后置LDO及不采用后置LDO的开关稳压器的频率输出频谱对于比。丈量于体系输出端举行。开关稳压器的输入电压设定为18V，而LDO的输出电压于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，开关稳压器及LDO的组适用作后置滤波器，可以或许有用衰减基波纹波及谐波身分。LT3080的高PSRR于降噪方面阐扬着要害作用，可以或许滤除了纹波和其谐波，从而孕育发生更洁净的输出电压。这凸显了利用LDO的要害上风，即按捺开关噪声，同时确保精准的电压调治及优良的动态机能。

图9.频率输出频谱比力

设计考量因素

务必留意所用开关稳压器的绝对于最年夜额定值，特别是SET及OUTS引脚。对于在LT83201，这两个引脚的最年夜额定电压均为13V。这象征着，要利用这款器件，LDO输出电压与其所需裕量之及必需始终低在13V。遵守这些限定可确保设计的完备性，避免对于器件造成潜于毁坏。然而，于可变输出电压需要凌驾SET及OUTS引脚绝对于最年夜额定值的体系中，可以实现一个分压收集来降低施加在SET及OUTS引脚的电压，如图10所示。这类要领答应主输出电压以较高电平事情，同时确保SET/OUTS引脚电压处在安全事情限值内。

图10.基在LT3080的LT83201设计方案，输出电压可调，最高可达15V

于图10的示例设计中，体系需要最年夜15V输出电压，但受限在LT83201 SET引脚的绝对于最年夜额定值，15V LDO输出不克不及直接毗连到该引脚。相反，LDO输出旌旗灯号起首经由过程电阻分压器举行缩减，使患上SET引脚电压始终于绝对于最年夜额定值规模内。建议于最年夜输出电压时，将SET引脚电压配置为12V。于这类环境下，电阻值（R5及R6）可按照公式5举行选择。

可是，为了确保体系可以或许从0V最先上电，R5及R6的并联组合乘以ISET的成果必需等在或者年夜在LDO所需的裕量电压。为确保不跨越任何额定值，它应小在SET引脚的绝对于最年夜额定值，如公式6所示。

此中，Vheadroom是所需的最小LDO裕量电压，SET (abs max rating)是SET引脚的最年夜额定电压。

同时应用公式5及公式6可计较出R6，如公式7所示。

于图10中，设计需要1.5V的裕量电压，是以R6的计较成果为50kΩ。然后可经由过程公式5确定R5，计较成果为21.43kΩ。可将尺度22kΩ电阻用在R5。

选择SET引脚的分压收集后，必需计较OUTS引脚的分压收集。如LT83201数据手册中所述，建议适量选择R1及R3的电阻值，使其阻抗小在5kΩ，以确保其引入的噪声低在器件自己引入的噪声。是以，假定R3为固定值10kΩ，则R1的值可经由过程公式8确定。

仿真成果如图11a所示。为确保实现适量的电压调治，必需维持数据手册所示的最小负载电流。对于在LT3080而言，至少需要1mA的负载电流才能使输出于各类事情前提下连结不变。但请留意，当输出电压降低时，裕量电压会略有增长，如图11a所示。因为SET及OUTS引脚的分压收集比率差别，LDO的输入输出电压差会出现一个微小斜率，致使裕量电压发生变化，而不是像图11b中所示那样于所有输出电压下连结恒定。然而，这类设计考量，即于最年夜输出电压下设置1.5V的裕量，可确保于所有输出电压下连结所需的LDO裕量。

图11.(a) LDO输出电压及输入电压；(b) 裕量电压变化

结语

本文先容了一种简朴而有用的要领，使用电流基准开关稳压器来治理LDO电压裕量。纵然采用不撑持电压输入输出节制(VIOC)功效的LDO，也能实现动态裕量节制。经由过程运用电压裕量节制技能，并借助仿真、现实电路实现方案及基准测试数据来验证设计，这类解决方案的有用性获得了充实证明。成果注解，利用LDO后置滤波器可以显著提高输出频谱的纯净度，降低基波输出纹波及谐波，同时也为精准节制电压裕量提供了一种有用的计谋。现实丈量成果显示，开关稳压器的输出牢牢追随LDO的输出，二者之间连结一个固定的电压偏移量，详细的偏移量可经由过程单个电阻切确配置。它于差别输出电压下实现了效率与低噪声的均衡，让体系工程师可得到高效、低噪声的供电体系。此外，对于在某些运用场景，例如于低LDO输出电压前提下连结LDO的最小事情电压，或者于高LDO输出电压前提下确保电流基准开关稳压器的引脚电压低在绝对于最年夜额定值，本文展示了一些电路设计变通方案的示例。

作者简介

Kyosuke Shimo在2022年作为应届卒业生插手ADI日本公司，今朝于工业客户解决方案部担当现场运用工程师。他卖力为电源产物提供技能撑持，并与客户合作无懈，解决技能挑战及提出立异解决方案。Kyosuke曾经于东京都立财产技能高档专门黉舍(KOSEN)进修电气及电子工程，在2022年得到东京都立年夜学硕士学位。他信赖，不管是电路设计还有是咖喱烹调，“SPICE”都是要害。

Ino Lorenz Ardiente今朝于ADI菲律宾公司的电源解决方案部担当电源架构工程师。他拥有马尼拉市立年夜学(Pamantasan ng Lungsod ng Maynila)电子工程学士学位及马普阿年夜学电力电子研究生文凭。2025年插手ADI以前，他于高功率AC-DC及DC-DC转换器的设计、测试及评估方面拥有6年多的从业经验。

Aldrick S. Limjoco今朝于ADI菲律宾公司的电源解决方案部担当高级司理兼电源架构师。自2006年插手ADI以来，他一直专注在电源治理范畴，并担当过量种工程职务，涵盖设计评估、产物运用及运用研究等方面。Aldrick今朝拥有三项美国专利，已经撰写/互助撰写关在开关稳压器输出纹波丈量技能、新型低纹波电源运用技能及铁氧体磁珠繁杂性等主题的技能文章。他拥有爱尔兰利默里克年夜学工程硕士学位及菲律宾马尼拉德拉萨年夜学电子工程学士学位。

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