使用低噪声降压转换器最大限度地减少噪声和纹波

对于为测试和测量以及无线电应用（例如时钟、数据转换器或放大器）的噪声敏感系统设计电源的工程师而言，最大限度地降低噪声是一项常见挑战。尽管“噪声”一词对不同的人可能有不同的含义，但在本文中，我将噪声定义为电路中电阻器和晶体管产生的低频热噪声。您可以通过以微伏/平方根赫兹为单位的频谱噪声密度曲线识别噪声，并以均方根微伏为单位作为积分输出噪声，通常在 100 Hz 到 100 kHz 的特定范围内。电源中的噪声会降低模数转换器的性能并引入时钟抖动。

为时钟、数据转换器或放大器供电的传统设置是使用 DC/DC 转换器，然后是低压差稳压器 (LDO)，例如TPS7A52、TPS7A53或TPS7A54，然后是铁氧体磁珠滤波器，如图所示在图 1 中。这种设计方法最大限度地减少了电源的噪声和纹波，并且适用于低于大约 2 A 的负载电流。但是，随着负载的增加，LDO 中的功率损耗会导致效率和热管理方面的问题；例如，在典型的模拟前端应用中，后稳压 LDO 会增加 1.5 W 的功率损耗。你们中的那些人是否在您的设计中寻找低噪声和低效率的选择？不完全的。

图 1：使用 DC/DC 转换器、LDO 和铁氧体磁珠滤波器的典型低噪声架构

使用低噪声降压转换器代替 LDO

控制功率损耗的一种方法是通过 LDO 最小化压降。但是，这种方法会对噪声性能产生负面影响。此外，更高电流的 LDO 通常更大，这会增加设计占用空间和成本。在控制功率损耗的同时确保低噪声的更有效方法是从设计中完全消除 LDO，并使用低噪声 DC/DC 降压转换器，如图 2 所示。

图 2：使用不带 LDO 的低噪声降压转换器

我知道您在想什么：移除降低噪声的主要设备如何仍然提供低噪声电源？许多 LDO 在带隙基准上都有一个低通滤波器，以最大限度地减少进入误差放大器的噪声。TPS62912 和 TPS62913 系列低噪声降压转换器实现了用于连接电容器的降噪/软启动引脚，使用集成的 R f和外部连接的 C NR/SS形成低通电阻-电容滤波器，如图所示在图 3 中。这种实现本质上模仿了 LDO 中带隙低通滤波器的行为。 

图 3：带带隙噪声过滤的低噪声降压框图

输出电压纹波呢？

每个 DC/DC 转换器都会在其开关频率下产生输出电压纹波。精密系统中的噪声敏感模拟轨需要最低的电源电压纹波，以最大限度地减少频谱中的频率杂散，这通常取决于 DC/DC 转换器的开关频率、电感值、输出电容、等效串联电阻和等效串联电感。为了减轻这些组件的纹波，工程师通常使用 LDO 和/或小型铁氧体磁珠和电容器来创建 pi 滤波器，以最大限度地减少负载纹波。低纹波降压转换器，例如TPS62912和TPS62913通过集成铁氧体磁珠补偿和遥感反馈来利用此铁氧体磁珠滤波器。将铁氧体磁珠的电感与额外的输出电容器结合使用可消除输出电压纹波中的高频分量，并将纹波降低约 30 dB，如图 4 所示。 

图 4：铁氧体磁珠滤波器之前的输出电压纹波 (a)；在铁氧体磁珠滤波器之后 (b)

结论

通过集成减轻系统噪声和纹波的功能，低噪声降压转换器可以帮助工程师实现低噪声电源解决方案，而无需 LDO。当然，不同应用所需的噪声水平会有所不同，不同输出电压的性能也会有所不同，因此只有您才能确定适合您设计的最佳低噪声架构。但是，如果您希望简化对噪声敏感的模拟电源的设计、降低功率损耗并缩小整体设计占用空间，请考虑使用低噪声降压转换器。