LDO电源管理模块的分析及其在数字模拟射频系统中的应用

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　随着便携式，单兵背负式设备在过去几十年的迅猛发展，如何能够在有限的板级空间内最大的集成各种电源输出并对其进行非常精确的控制管理便成了每一个硬件工程师不得不面对的一个问题。低压差，高效率，平稳的动态响应，稳定纯净的电压输出同时还要能够有效的抑制来自公共电网上非常“脏”的噪声影响等等这些一个比一个苛刻的指标要求，却是为一个优秀的完备的电子系统构成了稳定安全运行的能源供给平台。而以往业界的标准芯片如LM317和LM340再也无法满足我们日新月异的要求了，ADI公司推出的非常优秀好用的LDO稳压芯片，例如适合在数字领域的ADP170和ADP1706以及在模拟射频领域的ADP121和ADP130这几款片子便成为我们设计电源管理系统的重要选择。
　　LDO由参考电压（band refence），误差放大器，反馈电阻分压网络，以及传输晶体管（pass transistor）这几大部分构成。具体结构框图如下图1所以。

图一 采用低压差技术稳定输出电压的LDO框图

　　输出电流I（L） 的大小由负载决定但通过传输晶体管（pass transistor）提供。传输晶体管的栅极（我们这里假定是PMOS管距离）电压大小由误差放大器（即error amplifier）的输出控制。来自电阻分压网络的反馈电压与由带隙基准参考源产生的标准参考电压作比较进而产生误差放大器的输入信号。如果分压网络的反馈电压大于参考源电压，由于这里的反馈电压接在放大器的反相端，那么此时的误差放大器输出则为一个负值，从而使得传输晶体管控制电压减小，用以调控更小的输出电流通过电阻分压器降低反馈电压，这个一个反馈环路的形成最终在误差放大器的输入端让反馈电压和参考源电压相等，将输出电压稳定在一个固定值。
　　从电源管理系统的角度看负载，负载大小不一，相位不同。与此同时，这样的负载确是时变的，为了达到整个系统的低碳节能，智能化的动态的“使能”负载是一种重要的手段。一个庞大的系统特别是便携式设备中（如图2所示），在同一时刻或者同一段时间内，并不是每一部分的电路都满负荷工作。因此，通过对各种不同负载在不能时间戳内的顺序“使能”是必要的，毕竟电池的能量是有限的。

图2 便携式系统中的电源管理模块

　　若是给一个数字系统（例如微处理器或者DSP）供给电能，这样的电源负载具有非常重要的一种特性即必须适应其快速变化的瞬时电流。我们大家都知道，无论是MCU还是DSP，并不是一直出于工作状态的。有时使能，进行全负荷的工作，有时即使被使能，也只是一部分电路处于工作状态，而剩余部分则为了节省能量休眠。针对为其供给能量的电源芯片来说，每一次的状态切换负载呈现出的阻抗无论是在虚部还是实部都有比较明显的不同，同时每一种状态之间的变化在时间上来说是非常迅速的，这种特性造就了负载的电流跳变是非常快的，提高了电源芯片对负载变化的瞬态响应要求。像ADP170和ADP1706这类数字线性稳压器设计用于支持系统的主要数字要求，通常是微处理器内核和系统输入/输出（I/O）电路。
　　如何能够抗击噪声的干扰同时具有对较高电源纹波抑制一直是模拟系统设计需要注意的地方，对于电源管理系统来说，也不例外。大家都知道，公共电网里面的是很“脏”的，里面包含有非常多的噪声，何如能够有效的抑制来自上游电源杂波干扰，是一个电源管理系统（PMS）所要考虑的重要方面。同时自身不应该增添过多的噪声，从而对下游的供给负载造成不必要的影响。模拟稳压器噪声用电压有效值（rms）来衡量，当用于敏感电路时，应低于35 mV。PSRR反映LDO抑制电源线上的上游噪声的能力，应高于60 dB。超低噪声LDO ADP150具有9 mV的输出噪声和70 dB的PSRR，是为敏感模拟电路供电的理想电源器件。增加外部滤波器或旁路电容也可以减小噪声，但会增加成本和PCB尺寸。仔细和灵活的LDO内部设计也有助于降噪和电源噪声抑制。
　　最后，我们在使用LDO片子的时候一定要注意相关的参数。例如如环境和结点温度范围、负载变化、瞬态信号的上升和下降时间以及带宽等等。